彩电开关电源中的开关变压器设计
李明勇
康佳彩电开发中心
摘 要：本文详细介绍了彩电反激式准谐振开关电源中的开关变压器的设计。
关键词：开关电源 反激式 准谐振 开关变压器。
引言
开关电源同比线性电源，因其效率高、体积小、重量轻等特点而在家电产品中得以广泛应用。现在所有的彩电产品基本都是使用开关电源。
由于CRT彩电的电源功率通常在300W以下，因此现在彩电所用的开关电源大都属于反激式开关电源。所谓反激式即指当功率开关MOS管导通时，将电能转化为磁能储存在开关变压器中。只有在功率开关MOS管关断时，才向次级输出能量。而在反激式电源中，相对于硬开关模式，准谐振（QRC，Quasi-Resonant Converter）开关模式因具有低EMI和高效率而普遍适用。例如Fairchild公司的KA5Q系列、FSCQ系列，Sanken公司的STR-W67xx系列等。
准谐振开关模式即是，当次级线圈通过整流二极管释放完能量后，功率开关MOS管并不立即导通。而是由初级绕组与开关MOS管漏极电容(包括漏极所接的电容Cr和MOS管的输出电容Coss以及次级的反射电容C，)进行串联谐振，谐振到半周即最低点时导通。因此可以看出，准谐振开关模式属于完全能量转换的电感电流不连续工作方式。由于外接了Cr电容以及在电压最低点导通，因而降低了损耗和EMI，提高了电源效率。
彩电开关电源电路的设计，其中最重要的部分是开关变压器的设计。开关变压器设计好后，才能依据来选择开关变压器外围的元器件参数。下面我们开始开关变压器的设计。
1 设计开关变压器之前，首先需要确定如下几个参数：
：最高输入交流电压 (比如265VAC)
： 交流电压频率 (50Hz/60Hz)
：最大输出功率 (比如132W)
（1） W
（2） W
（3） W
（4） W
：开关电源效率 (通常设为80%)
最大输入功率可得出：
（1）
如按以上的负载情况，可得出 W
如果有多路输出，每路输出的负载藕合因子为：
（2）
其中 是第n路输出的最大功率。如果单路输出，则 。
2 确定直流输入电压范围
首先需要确定滤波大电解的容量，通常宽电压范围(90VAC-265VAC)时，选取(2-3uF)/W(输入功率)，窄电压范围(195VAC-265VAC)时，可以取1uF/W。
则最低输入直流电压为：
（3）
其中 是大电解的容量， 是直流充电的占空比，典型值为0.3，如图：
直流电压 最低直流电压
假设 ＝330uF/400V， ＝90VAC， ＝50Hz， W，可得出 97.0V。
最高输入直流电压为：
（4）
3 确定输出电压的反射电压（ ）
开关 MOS管的最高漏极电压为：
（5）
其电压波形如图：
通常是先确定开关MOS管，根据其耐压来决定 的值。例如选择开关MOS管的耐压为600V，则 电压不要超过开关MOS管的(75%-85%)耐压。例如选择 =125V，则在 =265VAC时， =500V，留100V的余量给漏感电压。当然可试情况增加消尖峰电路。
4 计算开关变压器初级绕组的电感量（ ）
(1) 首先需要确定开关电源的最低频率
一般人耳可听到的最高频率为20KHz，所以确定的最低频率不能低于20KHz。
当然如果频率提高，变压器的尺寸将减小，但各种损耗随之增加。因此需要在
成本和可靠性之间取折衷。通常最低选取 = 25KHz。
(2 ) 计算最大占空比 ，其公式为：
（6）
但准谐振模式在次级放完电后，并不立即导通。而是由初级绕组与开关MOS管
漏极电容(包括漏极所接的电容Cr和MOS管的输出电容Coss以及次级的反射电容C，，C，通常不计)进行串联谐振。谐振到半周即最低点时导通。如图：
谐振半周 ，其中 。
通常 值约为2-3uS。
例如 ＝500uH， ＝1200p， ＝2.43uS。
所以最大占空比修正为：
（7）
(3 ) 计算初级绕组的电感量
（8）
5 当电感量确定以后，可得出流过MOS管(同时也是初级绕组)的最大峰值电流
（9）
6 同时还可得到流过MOS管的有效值电流
(10)
7 通过输出最大功率可以选定磁芯种类，如下表：
|
|
110VAC/宽电源 |
220VAC |
|
EER-28L |
30W |
50W |
|
EER-35 |
70W |
110W |
|
EER-40 |
100W |
130W |
|
EER-42 |
120W |
150W |
|
EER-42/42/20 |
170W |
200W |
|
EER-49(L) |
220W |
300W |
8 由此可以计算初级绕组的匝数
（11）
其中 为最大磁通密度，要求取值小于0.3T，通常可以取值为0.25－0.30T， 为选定磁芯的截面积，确定后的初级绕组的匝数 要大于计算出的 值。
通常选定匝数 后，再求出电感系数
（12）
依据 ，然后通过查询所选磁芯的资料，可以算出所需的磁芯气隙 。如果太大和太小都不合适。一般实际使用大都在0.8mm－2.0mm之间。
另外一种方法是先选定合适的气隙 ，然后得出磁芯的电感系数 ，再通过公式（12）得出 ，最后将 ＝ 代入公式（11）求出 看是否小于0.3T并是否在合适的范围内。
9 确定次级各绕组的匝数
B+绕组的匝数为 :
（13）
其中 为B+输出电压， 为B+整流管的正向压降。
其它各绕组的匝数为：
（14）
同样， 为各绕组的输出电压， 为该绕组的正向压降。
10 确定次级各绕组的反向电压和有效值电流
反向电压：
有效值电流：
（15）
11 选取的次级整流二极管的最大反向电压：
＞
该整流二极管的平均正向电流：
＞
12 选取次级的滤波电容：
(1 ) 电压：要求输出电压 不得超过电容额定电压的(70%-80%)
(2 ) 纹波电流：
（16）
其中 为该路负载电流。要求所选电容的纹波电流不能小于该值。
(3 ) 电容容量 和串联等效电阻(ESR)
选取的 和 应满足纹波电压的要求，纹波电压
（17）
当然如果选取合适的电容后，纹波仍然超出指标，则一般通过增加LC滤波电路来满足要求。
13 初次级绕组导线线经的选取：
通过上面计算出来的各个绕组的有效值电流，来选取导线直经
（18）
其中 为各级绕组的有效值电流， 为电流密度，看情况取值，通常取为3.5A/mm2，一般最大不超过5.0A/mm2。
14 开关变压器的绕制
开关变压器的各项参数都计算完后，就需要开始进行绕制了。通常，为增加耦合，减少漏感，一般将初级绕组与次级输出绕组分层交错绕制，并且初级绕组和次级主绕组都要求密绕完，不能留半截。其它匝数少的绕组则散绕。而且，为避免集肤效应，初级绕组和次级主绕组通常采用多股线，其它有效值电流较大的绕组也应采用。其绕线顺序如下：
（1） 伴音电源输出绕组
（2） 初级绕组（即 ）的一半
（3） 次级主绕组（即B＋绕组 ）的一半
（4） 次级主绕组（即B＋绕组 ）的另一半
（5） 次级其它输出绕组
（6） 初级绕组（即 ）的另一半
（7） 初级反馈绕组
为防止伴音干扰图像，伴音绕组的地脚单独接地，看情况在PCB板上是否与主地连接。
开关变压器的设计是一个反复的过程。由于在此过程中有很多的预设变量，因此其参数的计算和线圈的绕制需要多次试验。比如电感量大匝数多绕不下，磁通密度余量不够，线经不合适，不能正好密绕完，次级输出电压值不合适等等。这些情况都需要你重新来过。只有在逐步熟练以后，才能加快设计速度，提高工作效率。
[参考文献]
[1] 张占松 蔡宣三 编著 《开关电源的原理和设计》 电子工业出版社 1998年
[2] Fairchild Semiconductor 应用手册
[3] Sanken Electric 技术资料
[作者介绍]
李明勇：康佳彩电开发中心
