在反激电源的设计过程中，反激变压器的设计往往决定着样机设计的成败。本文将针对反激电源开源项目中的反激变换器部分进行详细的学习与分析。

        开源链接：https://oshwhub.com/sunhaoqin/mp500_copy

        参考视频：https://www.bilibili.com/video/BV1gu4y1475h/?spm_id_from=333.1391.0.0&vd_source=2f4395e0e83cce46fd92c8dc6818367a    复刻：220V(AC)转5V/2A反激辅助电源——01工作原理及器件选型_反激辅助绕组供电电路-CSDN博客

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复刻：220V(AC)转5V/2A反激辅助电源——03不同电容的选型与使用-CSDN博客

目录

1. 反激变换器的工作区

1.1 工作区定义

1.2 工作区应用场景

2. 反激变换器的设计步骤

2.0 设计指标

2.1 DCM工况下的反激变换器设计简化方法

2.2  确定匝数比

2.2.1 计算方法

2.2.2 最小直流输入电压Uin(MIN)

2.2.3 确定匝数比

2.3 确定原边电感

2.4 选定磁芯

2.4.1 经验法

2.4.2 AP法

2.5 确定匝数

2.6 确定线径

2.6.1 计算电流有效值

2.6.2 计算线径

2.7 变压器绕制——三明治绕法

2.8 参数设计总结

2.9 一种反激变换器在线设计工具

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1. 反激变换器的工作区

1.1 工作区定义

        对于反激变换器，与非隔离DCDC变换器相同，其也具有DCM与CCM两种工作方式。但与非隔离系统不同的是，隔离型DCDC变换器的CCM、DCM指的是隔离变压器的磁通是否连续。

1.2 工作区应用场景

        针对两种工作方式，在设计中通常有如下经验：小功率场合使用DCM，大功率场合使用CCM。在本文介绍的反激变换器中，输出功率仅有10W，属于小功率应用场景，因此采用DCM工作方式。

        在小功率工况下，DCM的闭环控制难度相对较小，反激电感（变压器）的感值需求小，因此可以做到小体积、高功率密度。同时，DCM下副边二极管没有反向恢复过程，大大降低了EMI。因此，DCM常用在手机充电器、适配器等小功率场合中。

2. 反激变换器的设计步骤

        参考：开关电源设计全过程-重点是变压器设计_开关电源变压器设计-CSDN博客       

2.0 设计指标

        反激变换器设计指标与部分参数如下：

输入电压(AC_RMS)	220V
输出电压	5V
输出电流	2A
芯片供电电压	15V
设计效率	75%
整流桥滤波电感	33uF

2.1 DCM工况下的反激变换器设计简化方法

        DCM工况下的反激变换器输入输出电压的大小关系不再像CCM下一样只与占空比有关，而是同时与负载大小存在一定的关系，这给反激变换器特别是反激变压器的设计带来一定的复杂性。

        为了简化DCM下的设计步骤，通常会选在BCM（临界连续模式）下设计反激变换器。

        在BCM下，反激变换器的临界电流如下：

        

       在设计时，通常使用最大占空比与最小输入电压的条件来进行反激变压器的参数设计，具体原因如下：

        因为这是最恶劣的工作条件（Worst-Case Scenario）。

         当Vin最低时：根据原边峰值电流公式 Ipk = (Vin / Lp) * (D * T)，为了达到传输额定功率所需的峰值电流Ipk（即储存足够的能量），在Vin变小时，你必须增大D * T（即导通时间）来补偿。因此，最低输入电压自然会导致最大的占空比。

        此时的风险：在这个条件下，变压器导通时间最长，峰值电流也最大（因为需要储存足够的能量）。如果变压器设计得不够大（电感量Lp太小），或者MOSFET/电流检测电阻的额定值不够，就极易发生变压器磁芯饱和。

        变压器饱和是灾难性的：一旦饱和，电感量Lp会急剧下降，导致峰值电流失控般急剧上升，最终炸毁开关管（MOSFET）。

        由于本例中使用的反激芯片为电流峰值控制型的芯片，该控制方法在CCM下Dy>0.5时会产生次谐波震荡，因此在考虑裕量后，一般将反激变换器的最大占空比设置在0.45左右。同时在DCM设计时，也最好保持此标准。

        最后，BCM下，可以用CCM的设计公式设计DCM的参数，大大简化的设计步骤。

2.2  确定匝数比

2.2.1 计算方法

        在CCM下，输出与输入电压的关系为：，该公式在BCM下同样适用。为了精确计算，在核算副边电压时通常需要考虑整流二极管的导通压降，一般可选0.5~0.7V，即：

        匝数比

2.2.2 最小直流输入电压Uin(MIN)

        上式中的Uin(MIN)大小主要与整流桥的输出电压与滤波电容的大小有关。关于整流滤波电容的选择，一般遵循以下规则：通常，对于宽输入电压（85～265VAC），取2～3μF/W；对窄范围输入电压（176～265VAC），取1μF/W即可。可根据公式得出Uin(MIN)的值：

        其中，取最小输入交流电压有效值为185V，电容充电占空比Dch一般取0.2，暂定效率η为75%，可大致推得输入功率为10W/0.75=13.3W，fline为电网电压频率，取50hz，电容为33uF。可求得Uin(MIN)为250V。

2.2.3 确定匝数比

        带入匝数比计算公式，取副边整流二级管导通压降Uf为0.7V，可得匝数比N为36。

2.3 确定原边电感

        根据DCM下反激变换器输入输出电压的关系可得，原边的电感值计算公式为：

                                                            

        代入开关频率fs=65khz，KRF为电流纹波系数，在DCM下取KRF=1，CCM下宽压输入时（90～265VAC），KRF取0.25～0.5；窄压输入时（176～265VAC），KRF取0.4～0.8 。取可计算出Lp为7.3mH。KRF的定义如下图：

        根据上图，可得原边峰值电流Ipk与占空比满足以下关系：

                                                                

        代入可得，Ipk为0.237A。

2.4 选定磁芯

2.4.1 经验法

        一般可根据经验，按照输出功率等级选择对应型号得磁芯，并对应着其磁芯截面积Ae，具体参考如下：

        本次输出功率为10W，为留有一定裕量，可选择EE22作为磁芯得型号。

2.4.2 AP法

        AP法则具有更高的精确程度，这里留个坑，稍后学习。   

2.5 确定匝数

        原边匝数可以由以下公式确定：

                                                                

        其中，在CCM下，B取20%Bm，在DCM下，B=Bm，且通常取为0.25T（0.2T~0.3T之间均可）。代入可得原边匝数Np为169.61匝，根据匝数比可推副边匝数为169.61/36=4.71，取整数为Ns=5，回代得Np=5*36=180。

        同时，辅助绕组要为芯片提供15V的电压，即Naux=3*Ns=15匝。

2.6 确定线径

2.6.1 计算电流有效值

        DCM下的原边电流有效值为：，代入得，Iprms为0.0918A。副边电流有效值为：,代入得：Isrms为4.21A。

2.6.2 计算线径

        线径Dp的计算公式如下：,其中，J为导线的电流密度，其决定了导线在通过电流时的发热程度。J值选得越大，意味着允许的导线发热量越高，所需的导线截面积就越小（导线更细）；反之，J值选得小，则导线截面积要大（导线更粗），发热也更低。

        一般的，J取5A/mm2，意味着每通过5A电流，至少需要1mm2横截面积的导线。

        由此可以计算出：原副边线径：Dp=0.15mm，考虑裕量取0.2mm；Ds=1.35mm，考虑裕量取1.5mm。同时，由于直径较大，还需考虑集肤效应的影响，故将其拆分为9股0.5mm的铜线并绕。

        最后，对于辅助绕组，由于给反激芯片供电所流过的电流很小，因此选择Daux=0.1mm即可满足需求。

2.7 变压器绕制——三明治绕法

       由于初级线圈匝数较多，为实现更好的磁耦合效果，变压器采用三明治绕法的形式，即先绕制一半初级线圈，再绕制次级线圈与辅助线圈，最后再绕制初级线圈的剩余部分。

2.8 参数设计总结

        最终设计出的反激变压器参数如下：

匝数比N	36（180/5）
原边电感Lp	7.3mH
磁芯截面积（EE22）	40.8mm^2
辅助绕组匝数	15
原边线径	0.2mm
副边线径	9×0.5mm
辅助绕组线径	0.1mm

2.9 一种反激变换器在线设计工具

        本文大量工作参考MPS官网技术支持帖：七步设计反激式变换器|技术文章|MPS

        MPS官网也可找到反激变换器的在线设计工具：MPS| Monolithic Power Systems 芯源信息咨询（上海）有限公司

        其设计界面如下：

        输入目标参数即可初步计算出变压器、RCD、控制性能等设计方案与分析。

        同时，该网站还支持LLC等DCDC装置的设计辅助以及AD元件库导入等功能。