如何为隔离式Buck DC-DC转换器选择变压器?

本文讨论了如何为iso buck转换器选择变压器，以及为什么我们使用MAX17682和MAX17681的数据手册中的简化公式。 它还介绍了隔离式BUCK DC-DC转换器的基本工作原理。

选择变压器似乎是设计隔离式BUCK DC-DC转换器的过程中最关键步骤。 本文将讨论隔离式BUCK DC-DC转换器的工作原理，选择变压器时应重点关注哪些参数，这些参数如何影响选择变压器以及所选变压器如何影响电路参数。

隔离式BUCK DC-DC转换器如何工作？

就像BUCK转换器一样，下图向我们展示了ISO降压拓扑。 显然，通过用变压器代替BUCK电路中的电感器，我们可以获得一个隔离式BUCK转换器。 变压器次级侧具有独立的地。

Figure 1 Iso-Buck Topology

在导通时间（Ton）内，高侧开关（QHS）接通，低侧开关（QLS）断开。 变压器励磁电感LPRI被充电。 图中的箭头显示了电流的流向。 初级电流线性增加。 电流随时间变化的斜率取决于（Vin-Vpri）和Lpri。 在此时间间隔内，次级侧二极管D1被反向偏置，负载电流从COUT流向负载。

Figure 2 On Period Equivalent Circuit

在关断时间（Toff）内，QHS关闭并且QLS打开。 初级电感器放电。 初级侧电流从QLS流到到初级侧地，D1此时被正向偏置，次级侧电流从次级侧线圈流到到输出电容和负载。 在这段时间内输出电容被充电。 （关闭QHS并打开QLS不能改变电流方向，它改变了电流斜率。正电流减小到0A，然后负电流增大。）

Figure 3 Off Period Equivalent Circuit

哪些参数会影响变压器的选择？

当设计电源时，一些参数和规格应该被明确。 这些参数将决定外围器件（如输入电容，取样电阻等）的选型，尤其是变压器。

输入电压范围 INPUT VOLTAGE RANGE

输出电压OUTPUT VOLTAGE

最大占空比MAX DUTY CYCLE

开关频率SWITCH FREQ

输出电压纹波OUTPUT VOLTAGE RIPPLE

输出电流OUTPUT CURRENT

输出功率OUTPUT POWER

我们通常将最大占空比（D）分配为0.4到0.6。 最小输入电压（VIN_MIN）和最大占空比将决定初级侧输出电压（VPRI）。初级输出电压和输出电压（VOUT）确定变压器匝数比。

输出电流（IOUT）和输出功率（POUT）可能是影响变压器选择的最关键的参数。输出电流将决定至少应使用多粗的铜线。输出功率将决定应使用哪种变压器骨架。骨架的磁导率表明了它可以存储多少能量，从而可以输出多少能量。通常，我们使用直流负载电流乘以一个系数来指定电感器（变压器）的纹波电流。占空比和开关频率将告诉我们TON时间，借助VIN和VPRI以及纹波电流，我们可以确定初级侧电感值。系数不应分配得太大或太小。较大的系数会导致较大的纹波电流。大的纹波电流可能会超出H桥电流限值，这可能会损坏MOSFET，并且由于输出电容的ESR和ESL，大的纹波电流会在输出电容器上导致较大的纹波电压。相反，当我们想要极小的纹波电流时，我们的计算会得到一个大电感值的电感器（变压器），它将是一个大骨架和内部具有大量绕组的线砸，并且大电感将限制环路带宽并降低动态响应指数。

选择变压器

显然，能量仅在关断时间内传输到次级侧。 所以，匝数比可以通过以下公式确定：

其中VD是次级二极管的正向偏置电压。 对于Vpri，我们通常将最大占空比分配在0.4到0.6的范围内。 Vpri可以通过以下公式计算：

其中D是最大占空比，Vin_min是最小输入电压。 从上面的讨论中，我们就可以计算匝数比了。 作为非隔离 buck转换器，电感器两边的纹波电流相等。 轻松地，我们可以按以下在Ton时间的电感特性公式计算所需的电感值：

其中，f为开关频率，ΔI为纹波电流。 正如我们所说，纹波电流是直流负载电流乘以一个系数：

K是系数。 但是在隔离 buck转换器拓扑中，这里是一个变压器，而不是电感器。 我们该如何处理？ 我们知道变压器两侧的电流和匝数成反比：

其中Ipri_toff是次级侧电流在Toff时间内转换为初级测的等效电流，需要注意的是次级侧线圈仅在Toff时间内输出电流。 也许我们可以将两者电流相加作为等效的电感器（等效）电流。

其中ILeq是等效电感电流。 如果变压器还有3个绕组，

这正确吗？ 我们来看看基于MAX17682的仿真结果。 以下截图是在SIMPLIS中绘制的MAX17682典型电路。 电流探头已放置在变压器的两侧，分别称为IPRI和ISEC1。

Figure 4 MAX17682 Typical Circuit in SIMPLIS

下面的屏幕截图是这两个探头的瞬态仿真结果。 我根据上述方程式添加了这两个电流波形的和。

Figure 5 MAX17682 Typical circuit simulate current waveform

显然，电流相加的结果（青色）是三角波，就像非隔离BUCK转换器中的电感器一样。 因此，可以很容易地计算出变压器的初级侧ΔI：

通常，我们将负载电流纹波分配为直流输出电流的0.2倍。 因此，可以将K分配为匝数比乘以0.2。 同时，初级峰值电流应保证小于开关限制。 峰值电流Ipk如下：

而后可以很容易地计算出所需变压器的初级侧电感值：

通过使用这些参数，如匝数比、初级电感、输出功率、输出电流、隔离电压，我们可以决定选择使用哪个电感器。

为什么Maxim的简化公式可以使用？

首次使用MAX17682数据手册时，您可能会怀疑。 手册向我们展示了一个如下屏幕截图的公式。 在度量单位上似乎甚至是错误的。 我们如何看待这个方程式？ 我们如何理解它？

Figure 6 MAX17682 datasheet shot

根据以上讨论，等式（10）可以在TOFF时间内重写为以下等式。

我们假设D为0.6，当且仅当ΔI为0.4A多项式（1-D）和ΔI可以被约分，则等式（11）和数据表中的等式相同。 显然，数据手册中的公式已经选择了初级纹波电流。 如果我们给D分配0.6，则初级纹波电流为0.4A。 在数量上，TOFF占空比等于初级纹波电流。