摘要：MAX13256是一款10W變壓器驅動器，為電氣隔離層之間的功率傳遞提供行之有效的改進技術。與所有變壓器驅動器一樣，為了獲取良好的系統性能需要，要求變壓器具有良好的技術指標。盡管很多變壓器都可以配合MAX13256工作，但并非所有變壓器數據手冊上都給出了針對變壓器驅動應用規定的指標。本應用筆記討論如何選擇滿足應用需求的變壓器。

　　引言

　　MAX13256為小尺寸、高性能變壓器驅動器，理想用于工業或醫療環境下的隔離電源。MAX13256為非穩壓型DC-DC轉換器件，也就是說沒有包含控制副邊電壓的反饋環路。考慮到這一原因，MAX13256對于副邊電源不需要嚴格穩壓的設計極具吸引力。即使對于需要副邊穩壓的應用，MAX13256也能提供較強優勢，因為增加副邊穩壓后雖然提高了成本，但性能遠遠優于沒有任何模擬隔離反饋的方案。

　　那么，如何設定輸出電壓呢？與普通DC-DC架構不同，MAX13256始終以50%占空比驅動變壓器，輸出電壓由變壓器繞組匝數比決定。必須根據具體應用，謹慎選擇或指定合適的變壓器。

　　為方便選擇變壓器，可簡單地選擇適合MAX13256的現有產品，或查詢通用變壓器產品目錄，查找合適的產品。此外，變壓器供應商也提供定制設計，基本不需要NRE，而且交貨速度很快；所以，如果標準產品不能滿足需求，可進行定制，許多變壓器廠商提供高指標設計。對于那些需要幫助的廠商，您可以提供基本的設計參考。

　　變壓器指標的主要影響

　　確認變壓器滿足您對隔離的關鍵需求后，還要考慮其它因素。以下是變壓器指標的主要影響因素：

　　　　MAX13256功耗：受磁芯損耗和勵磁電感的影響。

　　　　變壓器功耗：受磁芯損耗、原邊電阻、勵磁電感和副邊電阻的影響。

　　　　輸出電壓：受原邊電阻和副邊繞組的影響。

　　　　峰值輸出電流：受磁芯損耗和勵磁電感的影響。

　　選擇適合MAX13256的現有產品

　　現有產品通常足以滿足應用需求。由于商品化變壓器本身已經綜合考慮了許多因素，應優先考慮選擇這種產品。變壓器通常給出特定溫度范圍內的額定電流。

　　如果變壓器數據手冊明確說明其兼容MAX13256，請查閱數據手冊進一步確認滿足以下要求：

　　　　隔離電壓

　　　　溫度范圍

　　　　輸出負載電流

　　然后，使用“MAX13256兼容變壓器”電子表格做進一步驗證，以免超出指標限制。例如，如果超過輸出電流指標，可能造成變壓器或MAX13256過熱。

　　對于變壓器驅動電流，需要在實驗室利用各種不同負載及過溫條件對原型設計進行驗證，這一點非常重要。分析中不可能包括所有因素，所以，分析數據只能作為初步設計的參考，可避免在實際電路測試中對電路的改動不大。

　　“MAX13256兼容變壓器”電子表格

　　針對配合MAX13256工作而設計的變壓器大多提供溫度范圍、隔離電壓、ET乘積（有時稱為ET常數）、最大副邊（輸出）電流，以及原邊和副邊電阻等參數。但通常缺少磁芯損耗和勵磁電感。

　　有了這些參數，即可創建良好設計，有些重要參數需要進一步確認。然而，如果要求總功耗或效率指標，則必須通過原型測試才能獲得。通過驗證確保沒有超過ET乘積，以及輸出電壓足以滿足目標應用。

　　例如，假設輸入電源為26V，需要有此產生隔離的5V電源。器件工作在商用溫度范圍，需要5kV隔離，負載電流0.5A。

　　通過搜索，發現一款合適的變壓器，TGMR-502V6LF 。變壓器具有足夠的隔離，溫度范圍和輸出負載驅動能力也由于指標要求。我們利用電子表格驗證其它參數。圖1所示為參考MAX13256數據手冊輸入的第一部分內容：

　　圖1. MAX13256兼容變壓器數據示例，MAX13256部分。

　　電子表格的C3單元是MAX13256內部橋式開關的導通電阻之和，即數據手冊中的指標ROH和ROL之和，典型值為1.6Ω。按照最差工作條件分析，將C3單元更改為2.5Ω。電子表格C4單元是最小開關頻率，單位為kHz。如果使用內部振蕩器作為時鐘，該值為510kHz；如果使用外部時鐘，在此輸入CLK引腳的最低頻率。

　　接下來，在第二部分輸入變壓器數據手冊參數，參見圖2：

　　圖2. MAX13256兼容變壓器數據示例，變壓器部分。

　　在電子表格C7單元輸入MAX13256 VDD引腳的電壓，本例為26V。在C8單元輸入最大輸出負載電流，本例為0.5A。在C9至C12單元輸入相應的變壓器指標。

　　圖3. MAX13256副邊整流器拓撲。

　　圖3所示為兩種常見的副邊整流器拓撲。如果副邊整流器拓撲為推挽式，在C11單元輸入原邊匝數的兩倍。例如，如果使用TGMR-512V6LF，即推挽式整流器，則在C11單元輸入“8”，在C12單元中輸入“1”。

　　該拓撲結構也影響C13單元的輸入內容。對于全波整流器，輸出電壓跌落為2倍的二極管壓降，而推挽式架構下的跌落電壓只為一個二極管壓降。查閱二極管數據手冊，確定每個二極管的預期正向導通電壓。如果尚未選擇二極管，輸入表1建議的默認值，然后在選好二極管后以接近數值替代。

　　最后，查閱電子表格的第四部分的計算結果。C23單元計算出該應用所允許的最小ET常數，變壓器指標必須等于或大于該值。Halo TGMR-502V6LF變壓器的ET常數為60V-μs，大于C23單元計算的最小值。

　　C24單元計算整流器輸出，約為5.4V。如果需要隔離的5V穩壓電源，使用壓差為0.4V或更小的LDO穩壓器提供輸出。

　　由于并未考慮所有因素，在進行最差工作條件分析時，將輸出電壓降低1%至5%。另外還要注意，輕載條件下，輸出電壓可能遠遠高于計算值。例如，從MAX13256數據手冊第5頁的右下圖可以看出這一點。

　　如果輕載下對輸出電壓要求非常嚴格，在實驗室以所要求的最小負載進行原型測試，測量輸出電壓。有些情況下，可在輸出端預先并聯一個電阻，以降低輕載時的輸出電壓。

　　圖4. MAX13256兼容變壓器示例的計算結果。

　　選擇一款并非針對MAX13256設計的變壓器

　　如果找不到專門配合MAX13256設計的變壓器，可以擴大搜索范圍，查找一些并非專門針對MAX13256設計的標準變壓器。只需查閱幾項關鍵參數，即可快速縮小搜索范圍。

　　首先排除不滿足隔離要求的變壓器；然后，檢查匝數比和ET乘積，具體取決于是否提供中心抽頭。例如，如果原邊帶有中心抽頭，則可選擇驅動整個繞組或僅驅動半個繞組。一側有中心抽頭的變壓器提供了兩種選項，原邊和副邊均帶中心抽頭的變壓器則提供了四種選擇。

　　表2列出了所有可能性，僅保留滿足第三欄和第四欄標準的選項。查閱表2時，ET乘積計算如下：

　　ET = （1000 × VIN）/fsw

　　式中，ET為計算的乘積，基于電路要求。

　　VIN為輸入電壓，單位為V。

　　fsw為最小輸入時鐘頻率，單位為kHz；如果使用內部振蕩器，則為510kHz。

　　表2中，暫定匝數比（TR）定義為所要求的輸出電壓與輸入電壓之比。

　　最后，利用 MAX13256通用變壓器電子表格進行驗證。

　　使用 MAX13256通用變壓器電子表格驗證

　　除了以上提及的技術指標，許多變壓器數據手冊還給出了勵磁電感，有時稱為原邊電感。由于該指標是在其它繞組全部開路時測得的，所以有時也稱為OCL或開路電感。

　　OCL是一項重要指標。與Maxim之前的變壓器驅動器不同，MAX13256限制原邊峰值電流，提供過載和短路保護。原邊電感導致原邊電流呈現經典的“基架上的紋波”，如圖5所示。

　　圖5. 原邊電流波形

　　負載恒定時，變壓器通過平均電流，包括變壓器磁芯發熱消耗的電流和將功率傳遞給負載的電流。原邊電感導致在平均電流上方出現電流紋波。電路分析時，必須確認峰值電流不會錯誤地觸發MAX13256進入保護狀態。

　　我們來看另一個例子，假如輸入電壓為12V，需要產生隔離的12V、200mA電源，提供1kV隔離。通過搜索發現一款變壓器：Coilcraft Q4470-CL2。利用MAX13256通用變壓器電子表格驗證其它參數，圖6所示為第一部分輸入內容：

　　圖6. MAX13256通用變壓器數據示例，MAX13256部分。

　　電子表格的C3單元是MAX13256內部橋式開關導通電阻之和，即數據手冊指標ROH、ROL之和，典型值為1.6Ω。對于最差工作條件分析，將C3單元更改為2.5Ω，這是ROH、ROL最大值之和。電子表格的C4單元為最小開關頻率，單位為kHz。如果使用內部振蕩器作為時鐘，該值為510kHz；如果使用外部時鐘，在此輸入CLK引腳的最低頻率。

　　為防止過載和電路故障，MAX13256限制提供給變壓器原邊的峰值電流。ITH引腳電阻設置該限流門限。除非需要更嚴格地限制輸入電流，ITH引腳的電阻應為1KΩ，保證500mA峰值電流限值。如果ITH電阻值高于1KΩ，那么在C5單元中輸入設置的限流值，單位為A；否則，使用默認值0.5A。

　　接下來，在輸入第二部分用戶參數，如圖7所示：

　　圖7. MAX13256通用變壓器示例的計算結果。

　　在電子表格C8單元輸入MAX13256 VDD引腳的驅動電壓，本例中為12V。在C9單元填寫輸出負載電流，本例為0.2A。根據變壓器數據手冊輸入C10至C14。盡管變壓器具有原邊和副邊中心抽頭，但本設計中并未發揮其優勢。如果使用原邊中心抽頭，在C12單元中的原邊匝數輸入項應為一半，即1.5。同樣，如果設計中使用副邊中心抽頭，C13單元中的值應為一半，即2。

　　拓撲結構影響C15單元輸入的內容。對于全波整流器，輸出電壓跌落為2倍的二極管導通壓降；對于推挽式架構，輸出跌落為1個二極管的導通壓降。查閱二極管數據手冊，確定每個二極管的正向導通電壓。如果尚未選擇二極管，輸入表1推薦的默認值，然后在選好二極管后用接近的數值替代。

　　接下來，查閱圖8所示電子表格第四部分計算結果。

　　圖8. MAX13256通用變壓器數據示例，用戶輸入部分。

　　C32單元計算該應用所允許的最小ET乘積，變壓器ET乘積為32V-μs，大于C32單元要求的23.5。如果MAX13256驅動器連接至原邊的一段和中心抽頭，變壓器將提供規定指標的一半，即16V-us，不滿足設計條件，所以該應用中不能使用該變壓器。

　　C33單元計算MAX13256可接受的峰值電流，該值必須低于C5單元輸入值。注意，F33單元指示“GOOD”。如果C33單元計算值太高，F33單元將指示“PK CURRENT TOO HIGH”。

　　電子表格C35單元計算電路的輸出電壓，本例中為大約13.9V。如果希望非常穩定的12V輸出，應為LDO留出足夠的壓差裕量。

　　查看圖9“功耗”信息。

　　圖9. MAX13256通用變壓器示例，功耗部分。

　　對于一個良好設計，這些功耗指標在合理范圍。注意，變壓器功耗指標包括未知的磁芯損耗，估算值為200mW，即C16數值。配合MAX13256使用的變壓器的類型，對于信譽良好的廠家，磁芯損耗要低于200mW估算值。再次說明，在實驗室檢驗電路性能非常重要。

　　為變壓器廠商規定變壓器指標

　　如果您無法獲取合適的標準產品，則可考慮請變壓器廠商定制產品。

　　與信譽良好的變壓器廠商配合的最佳方式就是在設計階段與其一起工作。利用MAX13256通用變壓器電子表格制定變壓器的暫定技術指標。

　　應該提供給變壓器廠商的硬性指標包括：

　　　　隔離電壓

　　　　ET常數

　　　　輸出電流

　　　　匝數比

　　推測“軟”指標，做好變壓器廠商建議修改的準備。

　　　　調整C14單元的原邊電感，直到C20單元與C9單元之比小于0.3，這表示變壓器應該提供的最小原邊電感，是最容易滿足的軟指標。

　　　　磁芯損耗估值為0.2W，變壓器廠商將通過選擇不同的鐵氧體和磁芯來調節該指標。變壓器廠商在鐵氧體和磁芯方面的經驗對您來說是最寶貴。

　　　　調整原邊和副邊電阻，大體上與匝數比成比例，直到C39單元的變壓器功耗低于0.75W，C38單元的MAX13256功耗低于1.0W。由于變壓器廠商通常會盡可能接近您提供的數值，所以這些指標略顯保守。

　　將這些指標交給變壓器廠商進行檢查，然后根據反饋意見進行調整。除了對您的設計有幫助外，變壓器對于生產質量和產品測試也很有價值，特別是當您需要超過2.5kV的隔離電壓時。

　　利用MAX13256 XFMR設計電子表格設計變壓器

　　如果您希望對電路提供更嚴格的控制，可以初步設計一個變壓器，然后交給變壓器廠商進行檢查。指定鐵氧體和磁芯，以及每個繞組的線規、匝數。即使您計劃采用定制變壓器，繞制一個初步的設計也有助于深入了解變壓器廠商的設計。

　　例如，假設我們為MAX13256設計的變壓器提供9V @ 0.7A和5V @ 0.4A，電源為24V。該變壓器將有一個原邊和兩個副邊。

　　第一步是選擇鐵氧體材料。由于大多數設計使用MAX13256的內部振蕩器，所以所選材料應該在255kHz至700kHz保持良好的工作。盡量使用相對磁導率超過1，000、磁通密度高于0.25 T的材料。參見圖10。

　　我們嘗試使用N49鐵氧體材料3，利用數據資料填寫電子表格的鐵氧體參數。

　　圖10. MAX13256變壓器設計電子表格的鐵氧體數據。

　　在鐵氧體數據手冊第2頁，BS表示峰值系統密度，100° C時為400mT，輸入C2單元。C3單元計算降額最大磁通密度。利用降額磁通密度作為指導，幫助設定實際磁通密度。查閱數據手冊第5頁左下角有關相對磁芯損耗與頻率的關系曲線圖，200mT曲線停止在200kHz。為了在300kHz以上使用該材料，應將磁通密度限制在100mT或以下。可以嘗試各種不同的磁通密度，注意較高的密度降低線損，較低的密度降低磁芯損耗。

　　本例中，選擇75mT，輸入C4單元。從同一圖表可知，500kHz下，100mT時的磁芯損耗約為700，50mT時約為100。幾何平均值約為265，所以在C5單元輸入磁芯損耗350kW/m3。較大的磁芯損耗考慮了500kHz以上工作的可能性。

　　第二步是選擇磁芯，本例中為Ferroxcube? EP134。根據數據資料，在電子表格的磁芯部分輸入數值，如圖11所示。

　　圖11. MAX13256變壓器設計電子表格的磁芯數據資料部分。

　　在磁芯數據資料的第693頁左上部，可查到具體磁芯的參數。參數有磁芯的橫截面積、有效長度以及有效體積。窗口區域為用于纏繞導線的空間，對于該EP13磁芯數據手冊，必須根據第693頁的圖1計算得到。窗口區域為磁芯數據資料第693頁圖1底部插圖的無陰影區域。

　　在第696頁可查到每匝平均長度（MLT）。導線并非直接纏繞在磁芯上，而是纏繞在線圈架上，后者決定繞組相關的參數。

　　然后，在表格中輸入相應的電壓和電流，如圖12所示。

　　圖12. MAX13256變壓器設計電子表格的V和I部分。

　　這些參數取自于電源電路的設計要求。如圖13所示。

　　圖13. MAX13256變壓器設計電子表格的開關頻率和峰值電流。

　　電子表格的C22單元為MAX13256內部橋式開關的導通電阻總和，也就是數據手冊中ROH、ROL之和。典型值為1.6Ω。按照最差工作條件分析，將C22單元更改為2.5Ω，這是最大導通電阻值。電子表格C20單元是最小開關頻率，單位為kHz。如果使用內部振蕩器作為時鐘，該值為510kHz；如果使用外部時鐘，在此輸入CLK引腳的最低頻率。

　　為防止過載和電路故障，MAX13256限制提供給變壓器原邊的峰值電流。ITH引腳電阻設置該限流門限。除非需要更嚴格地限制輸入電流，ITH引腳電阻應為1KΩ，保證500mA峰值電流限值。如果ITH電阻值高于1KΩ，則在C5單元輸入限流值；否則，使用默認值0.5A。

　　現在先將初步設計放在一邊，選擇導線和匝數，這是一個迭代過程。逐步調整匝數和導線尺寸，直到得到合適的變壓器。增加匝數降低磁芯的峰值磁通密度，降低磁芯損耗；然而，增加匝數就不得不使用較細的導線，以滿足空間要求，進而又增大了電阻和繞組損耗。

　　從MAX13256變壓器設計電子表格的匝數設置部分開始。如圖14所示。

　　圖14. MAX13256變壓器設計電子表格的用戶匝數部分。

　　注意C30、C31和C32單元中的值，這些是所要求的最小匝數。我們首先將這些值分別輸入C35、C36和C37單元，如圖14所示。D35、D36和D37單元顯示“GOOD”。如果其中某個或多個單元顯示“NOT ENOUGH TURNS”，則必須增加相應的匝數。

　　我們繼續，觀察電子表格線圈部分。

　　圖15. MAX13256變壓器設計電子表格的用戶導線部分。

　　電子表格根據匝數和允許的繞組面積，在C51、C53和C55單元顯示推薦的導線規格，用戶可對其進行調整。現在，只需將其復制到C59、C60和C61單元，如圖15所示。如果D66單元顯示“OVERSTUFFED”，則必須調高C59、C60和C61單元的數值，直到顯示“GOOD”。

　　如果設計會在正常工作期間觸發MAX13256的過載保護電路，D86單元會顯示另一項警告，表示“PK CURRENT TOO HIGH”。警告的原因要么是原邊繞組不足，要么是試圖轉換的功率超出了MAX13256的能力。由于MAX13256峰值電流限值為0.5A，提供的電源必須小于供電電壓的一半。例如，電源為24V時，MAX13256將不能提供高于12W的功率。參見圖16。

　　圖16. MAX13256變壓器設計電子表格的輸出電壓部分。

　　圖3所示為兩種常見的副邊整流器拓撲。對于全波整流器，輸出電壓跌落為2倍的二極管壓降，而推挽式架構下的跌落電壓只為一個二極管壓降。查閱二極管數據手冊，確定每個二極管的預期正向導通電壓。如果尚未選擇二極管，在C98和C103輸入表1建議的默認值，然后在選好二極管后以接近數值替代。

　　注意，C99和C104單元結果用于計算輸出電壓。我們得到的不是9V和5V，而是7.6V和4.4V。我們需要增加副邊匝數，以提高電壓。

　　調整C36和C37單元的副邊繞組匝數，直到這些電壓適當高于所要求的電壓。副邊匝數為10匝和6匝時，我們得到的是9.6V和5.4V。現在，D66單元顯示“OVERSTUFFED”。本例中，增大匝數造成磁芯窗口區域的導線太多，注意圖17電子表新的推薦值。

　　圖17. 新用戶導線建議值。

　　現在，D35、D36、D37、D66或D86單元有警告顯示。當原邊為22匝24線規，9V副邊為10匝22線規，5V副邊為6匝24線規時，預期輸出為9.6V @ 0.7A （C99單元），5.4V @ 0.4A （C104單元）。

　　E105、F105和G105單元估算功耗。本例中，MAX13256功耗大約為0.5W，變壓器功耗為大約0.25W，整流二極管功耗約為1W。

　　圖18. MAX13256變壓器設計電子表格的修正輸出電壓部分。

　　最后一步是生產變壓器，在實驗室搭建原型，然后驗證電路工作是否安全。參見圖18。

　　如果您考慮使用中心抽頭的副邊，利用該電子表格，確保副邊匝數與副邊線規相匹配。

　　結論

　　由于匝數比決定了輸出電壓，必須謹慎選擇配合MAX13256設計工作的變壓器。除了選擇專門針對MAX13256設計的變壓器外，也可選擇滿足要求的標準化產品。如果以上兩種途徑都不滿足需求，可定制或設計專用變壓器。利用基本信息和本文提供的簡單設計步驟，能夠快速地從基本概念設計出實際電路，搭建原型并在實驗室進行驗證。