Entwurf von isolierten Sperrwandlerschaltungen: Transformatorentwurf (Berechnung von Zahlenwerten)

Von den erforderlichen Transformatorentwurfsschritten für einen Sperrwandler beginnen wir mit der Berechnung der für den Entwurf des Transformators erforderlichen Zahlenwerte auf der Grundlage von Stromversorgungsspezifikationen. Die Berechnungen erfolgen im Wesentlichen nach den für jeden Parameter angegebenen Gleichungen. Zu Ihrer Information finden Sie in den Anwendungshinweisen zum BM1P061FJ und in anderen Dokumenten für den IC1, der in der Entwurfsaufgabe verwendet werden soll, relevante Informationen zum Transformatorentwurf. In diesem Abschnitt werden die zu erklärenden Teile zum besseren Verständnis in vergrößerten Ansichten dargestellt. Zum Aufbau der gesamten Schaltung siehe den Abschnitt

Das unten dargestellte Schaltbild stellt Auszüge aus dem Transformator T1 der Beispielschaltung dar. Neben der Eingangs-Primärwicklung Np und der Ausgangs-Sekundärwicklung Ns enthält der Transformator T1 eine Wicklung Nd, die die VCC-Spannung für IC1 erzeugt.

Entwurfsverfahren für den Transformator T1
Die unten aufgeführten Punkte beschreiben das Verfahren zum Entwurf eines Transformators T1. In dem folgenden Verfahren berechnen Sie Zahlenwerte und leiten Parameter für den in der Tabelle aufgeführten Transformator ab. Die Wicklungen und die Symbole für den fließenden elektrischen Strom entnehmen Sie bitte dem Transformator-Schaltplan im unteren rechten Bereich.

(1) Einstellen einer Rücklaufspannung VOR
(2) Berechnen der Sekundärwicklungsinduktivität Ls und des sekundär
-Seite Ispk
(3) Berechnung der Induktivität der Primärwicklung Lp und des Primär-
Spitzenstroms Ippk
(4) Bestimmung der Transformatorgröße
(5) Berechnung der Windungen der Primärwicklung Np
(6) Berechnung der Windungen der Sekundärwicklung Ns
(7) Berechnung der Windungen der VCC-Wicklung Nd

Die Werte ergeben sich als Parameter des Transformators T1

(1) Einstellen einer Rücklaufspannung VOR

Die Rücklaufspannung VOR ist gleich VO (die sekundäre Vout plus die VF für die sekundäre Diode D6) multipliziert mit dem Transformatorwicklungsverhältnis Np:Ns. Die Einstellung der Rücklaufspannung VOR bestimmt das Wicklungsverhältnis Np：Ns und das Tastverhältnis. Die Grundgleichung und ein Beispiel sind nachstehend aufgeführt.

Im Beispiel ergibt sich ein Wicklungsverhältnis Np：Ns von 5,385 und ein Tastverhältnis (max) von 0,424. Empirisch gesehen ist ein Duty (max)-Wert von 0,5 oder weniger wünschenswert. Wenn die Berechnung einen Duty-Wert von mehr als 0,5 ergibt, sollte das VOR angepasst werden.

In Bezug auf die Funktionsweise des Sperrwandlers haben wir als Ausgangspunkt die Einstellung der Sperrspannung VOR gewählt, um die Vds des Schalttransistors, die an die Primärwicklung angelegt wird, d.h. die Größe VIN + VOR, eindeutig zu identifizieren. In einem anderen Ansatz ist es möglich, das maximale Einschaltverhältnis als Ausgangspunkt zu verwenden.

Einzelheiten über die Funktionsweise der Sperrschaltung und die Spannungen finden Sie unter „PWM-Sperrwandlerbetrieb (Dauermodus)“ in „Sperrwandler-Grundschaltung und Kenndaten“

(2) Berechnung der sekundärseitigen Wicklungsinduktivität Ls und des sekundärseitigen Spitzenstroms
Ispk

Nacheinander berechnen wir die sekundärseitige Wicklungsinduktivität Ls und den sekundärseitigen Spitzenstrom Ispk. Die nachstehenden Gleichungen stellen Bedingungen für den diskontinuierlichen Modus dar, der eine Bedingung für die Beispielschaltung ist, so dass die Gleichheit einen kritischen Punkt darstellt (einen Bifurkationspunkt zwischen dem kontinuierlichen und dem diskontinuierlichen Modus). Der kritische Punkt sollte erreicht werden, wenn der Laststrom gleich Iomax ist.

Um einen Spielraum, z. B. einen Überlastungsschutzpunkt, vorzusehen, sollte der maximale Laststrom das 1,2-fache von Iout betragen. Da die Spezifikationen für Iout 3 A betragen, sollte Iomax 3,6 A betragen. In Bezug auf die Spezifikationen sollte Vout gleich 12V sein, und die in Schritt (1) berechneten Werte für VF und Duty sollten verwendet werden.

Aus den obigen Gleichungen wurden die primärseitige Wicklungsinduktivität Ls=8,6μH und der sekundärseitige Spitzenstrom Ispk = 12,5A berechnet. Zur Veranschaulichung sind die primär- und sekundärseitigen Stromverläufe in den obigen Zeichnungen dargestellt.

(3) Berechnung der primären Wicklungsinduktivität Lp und des primären Spitzenstroms Ippk

Im nächsten Schritt erhalten wir auf der Grundlage der nachstehenden Gleichungen und unter Verwendung der obigen Berechnungsergebnisse die primäre Wicklungsinduktivität Lp und den primären Spitzenstrom Ippk:

wobei das berechnete Lp einen der Werte darstellt, die als Parameter für den Transformator T1 abgeleitet werden.

(4) Bestimmung der Transformatorgröße

* Die obigen Werte stellen nur grobe Annäherungen dar. Für Details sollten die Hersteller der Transformatoren konsultiert werden.

(5) Berechnung der Primärwicklungswindungen Np

Die Primärwicklungswindungen Np müssen anfangs so eingestellt werden, dass die magnetische Flussdichte innerhalb des Toleranzbereichs liegt. Da die maximale magnetische Flussdichte B (T) für den handelsüblichen Ferritkern 0,4Tat 100℃ beträgt, erhält man durch Einsetzen von Bsat = 0,35T in Lp und Ippk die Primärwicklungswindungen Np:

Im nächsten Schritt wird Np anhand der AL-Wert-NI-Eigenschaften eingestellt, um das Auftreten einer magnetischen Sättigung zu verhindern. Bei diesem Schritt muss die Bsat-Bedingungsformel erfüllt sein.

Wenn AL-Wert=280nH/Windungen2,

Das bedeutet, dass, wenn Lp 249μH beträgt, der AL-Wert für 30 Windungen 249μH/302≒276,7nH/Windungen2 ist.

Der NI-Wert kann anhand der folgenden Gleichung bestimmt werden:

Nachdem AL-Wert und NI bestimmt wurden, wird anhand des AL-Wert-NI-Kennfelds für die EER28-Kerngröße überprüft, ob die Werte innerhalb des Toleranzbereichs liegen. Wenn sie außerhalb des Bereichs liegen, passen wir den Wert von Np an.

(6) Berechnung der Sekundärwicklungswindungen Ns

Nach der Berechnung der Primärwicklungswindungen berechnen wir die Anzahl der Sekundärwicklungen Ns. Da wir bereits festgestellt haben, dass die Windungszahl der Primärwicklung Np 34 Windungen beträgt und das Verhältnis Np:Ns 5:1 ist, setzen wir diese Werte in die folgenden Gleichungen ein:

(7) Berechnung der VCC-Windungszahlen Nd

Schließlich berechnen wir die Windungen der Wicklung, die erforderlich sind, um die VCC für IC1 zu erzeugen:

Da VCC 15 V beträgt, wird durch die Diode D6 auf der Grundlage der Anzahl der Windungen, wenn die VF für die Diode, VF_vcc 1 V beträgt,

Damit sind die Berechnungen der numerischen Werte abgeschlossen, die die Spezifikationen für den Transformator bestimmen. Durch Einsetzen der berechneten Werte in die eingangs gezeigte Spezifikationstabelle fahren wir mit dem Schritt der Strukturauslegung fort.

Auch wenn die obigen Gleichungen, auf den ersten Blick einschüchternd wirken mögen, sind es doch relativ einfache Formeln; Sie sollten versuchen, sie zu verwenden. Wenn die Gesamtspezifikationen ausgearbeitet sind, können Sie mit der Aufgabe des Transformatorentwurfs fortfahren, indem Sie die Unterstützung der IC- und Transformatorhersteller nutzen.