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经验谈:反激变压器KRP到底是什么?

来源: | 发布时间:2016/12/6 10:13:44 | 人气:
经验谈:反激变压器KRP到底是什么? 摘要 反激变压器的优点自是不必多说,很多新手都通过反激电源的制作来熟悉电源设计,目前网络上关于反激变压器的学习资料五花八门且比较零散,本文就将对反激变压器的设计进行从头到尾的梳理,将零散的知识进行整合,并配上相应的分析,帮助大家尽快掌握。 今天将进行一个较为完整的分析,KRP作为反激变压器中的灵魂参数,该如何对其进行取舍,值得我们深入探讨。 名词解释 首先先对文章当中的将要提到的一些名词进行解释。 工作模式:即电感电流工作状态,一般分DCM、CCM、BCM三种(定性分析)。 KRP:描述电感电流工作状态的一个量(定量计算); KRP定义: KRP的意义 KRP的意义:只要原边电感电流处于连续状态,都称之为CCM模式。而深度CCM模式(较小纹波电流)与浅度CCM模式(较大纹波电流)相比较,电感量相差好几倍,而浅度CCM模式与BCM、DCM模式的各种性能、特点可能更为相似。显然需要一个合适的参数来描述所有电感电流的工作状态。通过设置KRP值,可以把变压器的电感电流状态与磁性材料、环路特性等紧密联系起来。我们也可以更加合理的评估产品设计方案,例如: KRP较大时(特别是DCM模式),磁芯损耗一般较大(NP较小),气隙较小(无气隙要求,仅满足LP值),LP较小,漏感会较大,纹波电流较大(电流有效值较高); KRP较小时(特别是深度CCM模式),磁芯损耗一般较小(NP较大),气隙较大(有气隙要求,平衡直流磁通),LP较大,漏感会较小,纹波电流较小(电流有效值较低); 注:KRP较小时,气隙也是可以做到较小,但这需要更大的磁芯和技巧; KRP较大时,磁芯损耗也是可以做的较小,但这同样需要更大的磁芯和技巧; 这里说一点题外话,大部分人通常认为,相同磁芯、开关频率,DMAX,DCM模式比CCM模式下的输出功率更大;其实这是不完全对的(至少不符合实际,因为需要限制DMAX,导致空载容易异常),原因在于DCM模式下磁芯损耗会超出你的想象(电应力也会如此);DCM模式下,如果想大幅度降低磁芯损耗,唯一的方法是增大NP,而过大的NP会与LP形成现实冲突(DCM模式下,LP一般较小),造成磁芯气隙超出你的想象(漏感也会如此);有没有方法解决这种现实矛盾?答案应该是肯定的,即选择合适的磁芯结构,如长宽比小且AE大的磁芯(PQ、POT系列),或许会比长宽比大且AE小的磁芯(EER、EEL系列)更加有优势。(补充:在DCM模式下,如果限制DMAX,则会比CCM模式下输出更大的功率) KRP较大时,增大DMAX可以在一定程度上降低原边的纹波电流及有效电流值,但是次级的电流应力会更加恶劣,这种方法(增大/减小DMAX)只适合平衡初次级的电压、电流应力,应该不是一种很好的设计手段。 KRP较大时,空载启动困难,特别是低压大电流输出,且空载无跳频(宽范围AC输入时尤其如此,如3.3V10A,特别是超低压输入); KRP较小时,开关损耗较大,特别是高压小电流输出,且开关频率较高(窄范围AC输入时尤其如此,如100V0.5A,特别是超高压输入); 注:非低压大电流产品(如12V5A),KRP较大时,DMAX不能设计的过小,否则空载也会启动困难,且空载无跳频(宽范围AC输入时尤其如此);超低压输入产品(如12V输入),KRP应该较小,且开关频率也不能过高,否则LP过小(漏感过大)无法正常工作(或者效率极低)。 KRP较大时,动态响应较快,环路补偿比较容易(特别是采用电流模式控制);KRP较小时,动态响应较慢,环路补偿相对困难(特别是采用电压模式控制);KRP较大时,电感电流斜率较急,CS采样端对噪声影响不明显;KRP较小时,电感电流斜率较缓,CS采样端可能会受到噪声影响。 注:电流模式芯片通常会比电压模式控制芯片的性能更加优异,但并非所有情况下都是如此。如果输入电压较高,输出功率较小,电流模式芯片可能无法检测CS电压,低压大电流输出产品在空载时也会出现这种情况(再次强调,宽范围AC输入,低压大电流输出〈甚至非大电流输出产品〉,如果KRP较大,DMAX又较小,空载极有可能出问题,或许轻载降频、提高VCC都不一定有效,但是采用某些电压模式控制芯片,可能会避免此问题)。低压输入,输出功率很大时,电感电流斜率较缓,CS采样电压(电阻/互感器)可能很容易受到干扰,如果负载变化较大,也可能会因此CS端采样异常。也不是所有电流模式芯片均比电压模式芯片优秀,这需要综合考虑各种因素,包括外围电路的复杂程度。 超高压输入时,KRP应该设置较大(最好是QR模式),开关损耗会较低; 超低压输入时,KRP应该设置较小(最好是深度CCM模式),漏感会较低; 注:关于这两条,后续有必要专门展开分析。 KRP选取法则 电感纹波电流如何设置,主要取决于输入电压范围、输入电压幅度、输出电压幅度、输出电流范围、漏感百分比(气隙)四个量。 1、宽范围输入时,尽量选择深度CCM模式; 注:在所有输入电压范围内,功率器件的电压电流应力会有一个较好的折中; 2、输入电压非常低时(如12/24V),请选择深度CCM模式(KRP≤0.40); 注:此时如何降低漏感摆在第一位,深度CCM模式下,自然会获得最小的漏感量; 3、输入电压非常高时(如400VDC),请选择DCM模式(或者QR模式); 注:此时如何降低开关损耗摆在第一位,在QR模式下,自然会获得最小开关损耗; 4、输出电压非常高时,请选择DCM模式(或者QR模式); 注:此时如何降低开关损耗摆在第一位,在QR模式下,自然会获得最小开关损耗; 5、输出电流非常大时,尽量选择CCM模式,KRP值视输入电压范围及幅值决定; 注:CCM模式下,峰值电流、纹波电流、有效电流都会相对较小,且尽量避免采用单个肖特基二极管去处理高有效值电流,也要想办法去避免空载问题。 6、小电流输出,尽量采用DCM(QR)模式。 注:功率小,效率较高。 7、如果要求最小漏感设计,尽量选择CCM模式,KRP尽可能的小。 8、采用较小磁芯输出较大功率的前提条件是:较小DMAX、较高电感纹波电流(有效电流),空载问题好解决。 9、KRP小于0.66时,电感电流峰值、有效值,不再跟随KRP值的减小而明显减小,但是Bdc及气隙上升非常明显。 KRP小于0.40时,电感电流纹波电流将会出现过小而导致CS采样困难,且饱和的10电感电流上升不明显。 10、如果设置BCM模式下的LP=1,其他工作条件不变,则: KRP=1.00,LP=1 KRP=0.66,LP=2 KRP=0.50,LP=3 KRP=0.40,LP=4 KRP=0.33,LP=5 我们可以研究不同KRP值下,磁芯的Bdc、Lg的变化趋势,甚至可以更换不同的磁芯来满足电气参数设计(KRP、DMAX、LP均不会发生改变)。如此一来,KRP(电气参数)将会与磁芯参数形成紧密的联系,方便量化分析。通过不同的电感纹波电流,来让我们知道变换器到底需要什么样的磁芯设计参数(包括磁芯选型)。而不是先来设计变压器参数,然后自动生成KRP等电气参数。 简单的理解,就是先设计好电气参数,如初次级的电压、电流应力,评估各种损耗温升,考虑到PWM芯片、MOS、二极管各种的特点(先选好),让反激变换器工作在最佳的工作状态。根据这个最佳的电气参数,我们来设计变压器参数,如NP、NS、气隙等等,最后通过更换磁芯或是微调变压器的结构设计,让整个变换器都工作在最合理的状态。如果开头就进行变压器设计,会导致我们产品优化的余地较小(不得不重新计算或是申请样品)。 不过,不得不承认,每一个人的学习经历往往很不同,属于自己的最佳设计流程,应该是自己最熟练、最能理解的哪一种。那是一种积累、一种磨练,千万不要轻易去否定。这里提供的方法只是其中一种,诸多技巧中,如果觉得好就用,不好就不用。 KRP的别名:KRF、r,它们之间存在换算关系,建议参考相关资料; 如果设置BCM模式下的LP=1,其他工作条件不变,则: (磁芯、匝数比不变,否则无法完成对此;NP的变化不会改变DMAX、电压、电流应力,NP主要是影响磁芯参数设计) 释疑: 1、KRP从1.00下降至0.66时,峰值电流的下降非常明显,当KRP从0.66向0.33下降时,峰值电流的下降幅度非常有限; 2、KRP从1.00下降至0.33时,纹波电流的下降一直非常明显,与LP的变化趋势刚好相反(I=V*TON/LP); 3、KRP从1.00下降至0.66时,有效电流的下降非常明显,当KRP从0.66向0.33下降时,有效电流的下降幅度非常有限; 4、KRP从1.00下降至0.33时,BDC急剧增大,气隙的大小与磁性元件的设计有关,由于对比中的NP会有所不同,所以气隙、BDC、BAC的变化趋势仅仅是起有限的参考作用; 关于BDC、BAC的变化趋势(二者是由哪些量决定的)分析见《开关电源手册》,其中有详细描述: ①外加的伏秒值、匝数、磁芯面积决定了交变磁通量(BAC); VTon(n)+Np+Ae→△B ②直流平均电流值、匝数、磁路长度决定了直流磁场强度(BDC); Idc+Np+Le(lg)→Hdc ③加气隙和不加气隙,磁芯饱和磁感应强度是一样的;但加气隙的磁芯能显著减小剩磁Br,另外,加气隙可以承受大的多的直流电流; 5、KRP从1.00下降至0.33时,由于BDC、LP急剧增大,所以NP也会较大,间接导致导致BAC较小。 6、KRP从1.00下降至0.33时,LP的变化范围非常有意思,注意是整数倍,这为我们评估变压器的设计提供了极好的参考依据,我们可以一开始就设计在临界模式,并且将临界LP作为参考数值。需要明白,在保持匝数比(DMAX)不变的情况下,产品中的各种电压应力不会有任何改变(DMAX决定了电压应力,也不能够大幅度改变,只适合微调)。我们可以通过研究KRP(LP)变化时,各种电流应力与磁芯参数的变化趋势,最终找出最优设计。 7、采用此方法设计变压器时,建议采用V*TON,而不是I2*LP,因为DMAX(决定TON)几乎是固定量变化不大,而LP可以是变化量(由KRP决定),变化量非常大,优化分析时也比较简单。 8、需要认真理解NP与LP不是线性关系,也要完全明白气隙的计算公式。 9、进行KRP及变压器设计时,需要紧密联系各种参数(电压、电流应力,磁性参数),然后进行系统分析。这是我极力推荐大家采用软件的主要原因,手工计算极易出错、慢、且无法对全局进行优化分析。 10、关于KRP的相关介绍,可以参考PI的相关设计资料;关于KRF的相关介绍,可以参考飞兆的相关设计资料;关于r的相关介绍,可以参考《精通开关电源设计》;关于KRP,其他公司也有各种不同的描述,但他们要表达的意思其实都差不多。 小结 以上就是反激变压器的工作状态和KRP的定性分析,当然如果详细分析起来还有更多的内容,如PFC、正激类的输出电感等,这些内容都可用KRP来描述,总体来说没有那么高深莫测,只是作为不同的应用时,侧重点也有所不同,只要勤于钻研和实践,这对大家来说将不是什么难题。
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