本文討論了如何為iso buck轉(zhuǎn)換器選擇變壓器，以及為什么我們使用MAX17682和MAX17681的數(shù)據(jù)手冊(cè)中的簡(jiǎn)化公式。 它還介紹了隔離式BUCK DC-DC轉(zhuǎn)換器的基本工作原理。

選擇變壓器似乎是設(shè)計(jì)隔離式BUCK DC-DC轉(zhuǎn)換器的過(guò)程中最關(guān)鍵步驟。 本文將討論隔離式BUCK DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理，選擇變壓器時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注哪些參數(shù)，這些參數(shù)如何影響選擇變壓器以及所選變壓器如何影響電路參數(shù)。

隔離式BUCK DC-DC轉(zhuǎn)換器如何工作？

就像BUCK轉(zhuǎn)換器一樣，下圖向我們展示了ISO降壓拓?fù)洹?顯然，通過(guò)用變壓器代替BUCK電路中的電感器，我們可以獲得一個(gè)隔離式BUCK轉(zhuǎn)換器。 變壓器次級(jí)側(cè)具有獨(dú)立的地。

Figure 1 Iso-Buck Topology

在導(dǎo)通時(shí)間（Ton）內(nèi)，高側(cè)開關(guān)（QHS）接通，低側(cè)開關(guān)（QLS）斷開。 變壓器勵(lì)磁電感LPRI被充電。 圖中的箭頭顯示了電流的流向。 初級(jí)電流線性增加。 電流隨時(shí)間變化的斜率取決于（Vin-Vpri）和Lpri。 在此時(shí)間間隔內(nèi)，次級(jí)側(cè)二極管D1被反向偏置，負(fù)載電流從COUT流向負(fù)載。

Figure 2 On Period Equivalent Circuit

在關(guān)斷時(shí)間（Toff）內(nèi)，QHS關(guān)閉并且QLS打開。 初級(jí)電感器放電。 初級(jí)側(cè)電流從QLS流到到初級(jí)側(cè)地，D1此時(shí)被正向偏置，次級(jí)側(cè)電流從次級(jí)側(cè)線圈流到到輸出電容和負(fù)載。 在這段時(shí)間內(nèi)輸出電容被充電。 （關(guān)閉QHS并打開QLS不能改變電流方向，它改變了電流斜率。正電流減小到0A，然后負(fù)電流增大。）

Figure 3 Off Period Equivalent Circuit

哪些參數(shù)會(huì)影響變壓器的選擇？

當(dāng)設(shè)計(jì)電源時(shí)，一些參數(shù)和規(guī)格應(yīng)該被明確。 這些參數(shù)將決定外圍器件（如輸入電容，取樣電阻等）的選型，尤其是變壓器。

輸入電壓范圍 INPUT VOLTAGE RANGE

輸出電壓OUTPUT VOLTAGE

最大占空比MAX DUTY CYCLE

開關(guān)頻率SWITCH FREQ

輸出電壓紋波OUTPUT VOLTAGE RIPPLE

輸出電流OUTPUT CURRENT

輸出功率OUTPUT POWER

我們通常將最大占空比（D）分配為0.4到0.6。 最小輸入電壓（VIN_MIN）和最大占空比將決定初級(jí)側(cè)輸出電壓（VPRI）。初級(jí)輸出電壓和輸出電壓（VOUT）確定變壓器匝數(shù)比。

輸出電流（IOUT）和輸出功率（POUT）可能是影響變壓器選擇的最關(guān)鍵的參數(shù)。輸出電流將決定至少應(yīng)使用多粗的銅線。輸出功率將決定應(yīng)使用哪種變壓器骨架。骨架的磁導(dǎo)率表明了它可以存儲(chǔ)多少能量，從而可以輸出多少能量。通常，我們使用直流負(fù)載電流乘以一個(gè)系數(shù)來(lái)指定電感器（變壓器）的紋波電流。占空比和開關(guān)頻率將告訴我們TON時(shí)間，借助VIN和VPRI以及紋波電流，我們可以確定初級(jí)側(cè)電感值。系數(shù)不應(yīng)分配得太大或太小。較大的系數(shù)會(huì)導(dǎo)致較大的紋波電流。大的紋波電流可能會(huì)超出H橋電流限值，這可能會(huì)損壞MOSFET，并且由于輸出電容的ESR和ESL，大的紋波電流會(huì)在輸出電容器上導(dǎo)致較大的紋波電壓。相反，當(dāng)我們想要極小的紋波電流時(shí)，我們的計(jì)算會(huì)得到一個(gè)大電感值的電感器（變壓器），它將是一個(gè)大骨架和內(nèi)部具有大量繞組的線砸，并且大電感將限制環(huán)路帶寬并降低動(dòng)態(tài)響應(yīng)指數(shù)。

選擇變壓器

顯然，能量?jī)H在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)酱渭?jí)側(cè)。 所以，匝數(shù)比可以通過(guò)以下公式確定：

其中VD是次級(jí)二極管的正向偏置電壓。 對(duì)于Vpri，我們通常將最大占空比分配在0.4到0.6的范圍內(nèi)。 Vpri可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

其中D是最大占空比，Vin_min是最小輸入電壓。 從上面的討論中，我們就可以計(jì)算匝數(shù)比了。 作為非隔離 buck轉(zhuǎn)換器，電感器兩邊的紋波電流相等。 輕松地，我們可以按以下在Ton時(shí)間的電感特性公式計(jì)算所需的電感值：

其中，f為開關(guān)頻率，ΔI為紋波電流。 正如我們所說(shuō)，紋波電流是直流負(fù)載電流乘以一個(gè)系數(shù)：

K是系數(shù)。 但是在隔離 buck轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲校@里是一個(gè)變壓器，而不是電感器。 我們?cè)撊绾翁幚恚?我們知道變壓器兩側(cè)的電流和匝數(shù)成反比：

其中Ipri_toff是次級(jí)側(cè)電流在Toff時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換為初級(jí)測(cè)的等效電流，需要注意的是次級(jí)側(cè)線圈僅在Toff時(shí)間內(nèi)輸出電流。 也許我們可以將兩者電流相加作為等效的電感器（等效）電流。

其中ILeq是等效電感電流。 如果變壓器還有3個(gè)繞組，

這正確嗎？ 我們來(lái)看看基于MAX17682的仿真結(jié)果。 以下截圖是在SIMPLIS中繪制的MAX17682典型電路。 電流探頭已放置在變壓器的兩側(cè)，分別稱為IPRI和ISEC1。

Figure 4 MAX17682 Typical Circuit in SIMPLIS

下面的屏幕截圖是這兩個(gè)探頭的瞬態(tài)仿真結(jié)果。 我根據(jù)上述方程式添加了這兩個(gè)電流波形的和。

Figure 5 MAX17682 Typical circuit simulate current waveform

顯然，電流相加的結(jié)果（青色）是三角波，就像非隔離BUCK轉(zhuǎn)換器中的電感器一樣。 因此，可以很容易地計(jì)算出變壓器的初級(jí)側(cè)ΔI：

通常，我們將負(fù)載電流紋波分配為直流輸出電流的0.2倍。 因此，可以將K分配為匝數(shù)比乘以0.2。 同時(shí)，初級(jí)峰值電流應(yīng)保證小于開關(guān)限制。 峰值電流Ipk如下：

而后可以很容易地計(jì)算出所需變壓器的初級(jí)側(cè)電感值：

通過(guò)使用這些參數(shù)，如匝數(shù)比、初級(jí)電感、輸出功率、輸出電流、隔離電壓，我們可以決定選擇使用哪個(gè)電感器。

為什么Maxim的簡(jiǎn)化公式可以使用？

首次使用MAX17682數(shù)據(jù)手冊(cè)時(shí)，您可能會(huì)懷疑。 手冊(cè)向我們展示了一個(gè)如下屏幕截圖的公式。 在度量單位上似乎甚至是錯(cuò)誤的。 我們?nèi)绾慰创@個(gè)方程式？ 我們?nèi)绾卫斫馑?/p>

Figure 6 MAX17682 datasheet shot

根據(jù)以上討論，等式（10）可以在TOFF時(shí)間內(nèi)重寫為以下等式。

我們假設(shè)D為0.6，當(dāng)且僅當(dāng)ΔI為0.4A多項(xiàng)式（1-D）和ΔI可以被約分，則等式（11）和數(shù)據(jù)表中的等式相同。 顯然，數(shù)據(jù)手冊(cè)中的公式已經(jīng)選擇了初級(jí)紋波電流。 如果我們給D分配0.6，則初級(jí)紋波電流為0.4A。 在數(shù)量上，TOFF占空比等于初級(jí)紋波電流。