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摘要：开关电源被誉为高效、节能型电源，它代表着稳压电源的发展方向。目前，单片开关电源集成电路以其高集成度、高性价比、最简单外围电路、最佳性能指标的显著优点、被广泛应用，已成为设计中、小功率开关电源的优选产品。其中高频变压器是开关电源的重要部件，它起到传输能量、电压变换和电气隔离的作用。高频变压器的设计是制作开关电源的一项关键技术。本文介绍了空调中常用反激式开关电源电路高频变压器设计方法，一般开关电源电路设计者在使用PI的TinySwitch-Ⅲ系列单片机及不同的开关电源电路方案时可以此为参考，更快、更好地完成特定功能的硬件设计。希望介绍能对控制板关于开关电源的硬件设计可靠性的提升有所帮助。
关键词：TinySwitch-Ⅲ系列单片机；反激式开关电源；开关电源；高频变压器
引言
目前在空调等家电产品中，开关电源芯片TinySwitch-Ⅲ系列单片机还是应用非常广泛，但是伴随技术的进步，新的开关电源芯片不断涌现，目前已开始使用三垦的STR-L472等开关电源芯片，但其中的设计原理与TinySwitch-Ⅲ系列单片机也有很多相通的地方。本文主要基于TinySwitch-Ⅲ系列单片机，通过输入电压、工作模式、磁芯选型、初级次级绕组匝数计算、等几个方面进行反激式开关电源高频变压器设计说明；
一、按负载需求给出已知参数
假设要设计一个20W反激式通用开关电源模块的高频变压器。已知，输入电压Uin：85V~265V、输出电压Uout=12V、输出的功率Pout=20W、效率η=80%、开关频率fs=132KHz，原理图如下：
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二、根据输入电压，计算出最大占空比Dmax
Dmax=UOR/（UOR+UImin-UDS（ON））*100%
UOR为二次侧感应电压，UImin为最小输入直流电压，UDS（ON）为开关管导通时压降。
输入电压Uin为85V~265V时，最大占空比出现在最低输入电压Uin=85V、最大输出功率的状态。
对于UOR，一般取经验值135V。
对于UImin，采用最小输入交流电压Uin=85V，经过桥式整流和电容滤波后，直流输入电压的最小值设UImin=90V（如下图），UDS（ON）查芯片规格书得10V。
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此时电路的最大占空比有：Dmax=135V/（135V+90V-10）*100%=62.8%.
查TNY27X芯片手册，此设计符合芯片要求。
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三、反激式开关电源工作模式说明
开关电源有两种基本工作模式：一种是连续模式CUM，另一种是不连续模式DUM。连续模式的特点是高频变压器在每个开关周期，都是从非零的能量存储状态开始的。不连续模式的特点是，存储在高频变压器的能量在每个开关周期内都要完全释放掉。如下图所示开关电流波形上可以看出二者的区别。
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由上图可得：连续模式下，一次绕组的脉动电流（IR=Ip2-Ip1），与峰值电流IP2的比例系数KRP<1.0。不连续模式下，KRP=0，IR=Ip2。
四、根据工作模式计算一次侧波形参数
计算输入电流平均值IAVG：IAVG=P0/η*UImin=20/0.8*90=0.278A。
计算一次侧峰值电流IP2：IP2=IAVG/[（1-0.5*KRP）*Dmax]其中设开关电源工作在连续模式，我们令KRP=0.6，则：IP2=0.278A/[（1-0.5*0.6）*0.628]=632.4mA
计算一次侧脉动电流IRIR=KRP*IP2=0.6*0.6324=379.4mA
计算一次侧有效电流IRMS：IRMS=IP2*√[Dmax*（KRP2/3-KRP+1）]=0.6324*√[0.628*（0.62/3-0.6+1）]=361.4mA
五、根据一次侧脉动电流IR，计算出原边电感量Lp
Lp=（DMax•UImin）/（fs•IR）=（0.628*90）/（132*103*0.3794）=1128uH
六、根据输出功率计算磁芯参数
开关电源的工作频率一般为几十千赫兹到几百千赫兹，大多采用EI和EE型锰锌铁氧体磁芯。这种磁芯具有漏感小、磁耦合性能好、绕制方便等优点。
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根据KRP，可用AP法计算出适合此磁芯型号，则有：AP=Aw*Ae=[0.433*（1+η）*Pout*104]/（η*KW* Dmax *J*BM*KRP*fs）其中，Aw是磁芯可绕导线的窗口面积，Ae是磁芯有效面积。KW为窗口有效使用系数，根据安规的要求和输出路数决定，一般为0.2~0.4，一般取中间值0.35。J为电流密度系数，一般取400A/cm2。BM为磁芯工作磁感应强度，单位为T。对于反激式开关电源，BM值应该在0.2~0.3T之间，一般取中间值0.25T。
则20W开关电源磁芯AP值为：AP=[0.433*（1+0.8）*20*104]/（0.8*0.35*0.628*400*0.25*0.6*132*103）=0.112cm4查常用磁芯的尺寸规格表：
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根据AP值，查出与之接近的最小磁芯规格为EI19和EE19，其AP=0.12cm4。考虑到磁芯损耗、降额等原因，实际会选用EI22和EE22。
七、根据输入电压，计算绕组参数
1、计算二次绕组匝数Ns对于85V~265V宽电压输入，二次侧应取0.6/V。则有：Ns=（Uout+UF）*0.6匝/V其中UF为输出整流管的正向压降。SB3150为肖特基二级管，压降为0.4V。故二次绕组匝数：Ns=（12+0.4）*0.6=7.44匝由于二次侧的导线电阻会形成一定压降，实际取Ns=8匝。
2、计算一次绕组匝数NpNp= Ns*UOR/（Uout+ UF）=8*135/（12+0.4）=87为减少一次侧绕组的漏感，通常将一次侧绕组分成两部分绕，将二次侧绕组夹在这两层中间。所以Np=43*2匝。
3、计算偏置绕组的匝数NBNB=Ns*（UFB+UF2）/（Uout+UF1）其中UFB为直流偏置电压23V，UF2为偏置绕组的输出整流管压降，取0.4V。NB=4*（23+0.4）/（12+0.4）=7.5匝实际取8匝。
4、计算二次侧电流峰值ISPISP=IP2*NP/NS=632.4*10-3*87/8=6.78A
5、计算二次侧电流有效值ISRMSISRMS=ISP*√[（1-Dmax）*（KRP2/3-KRP+1）]=6.78*√[（1-0.628）*（0.62/3-0.6+1）]=2.98A
6、计算出导线直径d=√（4 *IRMS/π*J）J为电流密度，对于反激式开关变压器，J一般取3~6A/mm2，设J=4A/mm2对于一次侧绕组，导线直径d1：
d1=√（4*361.4*10-3/π*4）=φ0.115mm查漆包线规格表，d1取0.13mm的线。对于二次侧绕组，导线直径d2：d2=√（4*2.98/π*4）=φ0.949mm查漆包线规格表，d2取φ1.12mm.
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八、根据磁芯和绕组参数，计算气隙参数
在反激式开关电源中，为了防止高频变压器发生磁饱和，通常要在磁芯中加入控器间隙（气隙）。变压器磁芯有效气隙有lg：lg=0.4*π*Np2*Ae*10-2/Lp=0.4*π*（43*2）2*0.41*10-2/1128=0.35（mm）
计算出的气隙是指磁路中气隙宽度的总和，对于EI和EE型磁芯，通常采用加入一定厚度的电工绝缘纸来增加气隙。如下图，由于气隙宽度等于磁路间隙的总和，因此磁芯间隙应为气隙宽度的一半。故可在在EE型磁芯之间插入厚度为lg/2=0.175mm厚的绝缘纸。
气隙宽度与磁芯间隙图示：
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九、根据前面的计算数据，验证最大磁通密度BM
BM=IP2*LP*10-2/NP*AE=632.4*10-3*1128*10-6*10-2/（43*2）*0.41=0.2023T
计算出来的BM值在0.2~0.3T之间，证明前面选择的磁芯和一次侧匝数没有问题。
结束语
开关电源高频变压器就是加入开关管理设置的电源变压器，在使用中不仅具有普通变压器的电压变化功能，还兼具绝缘隔离与功能传送的功能，它的设计十分复杂。本文只是介绍了反激式开关电源的高频变压器设计一般方法，在实际应用中高频变压器设计还需根据使用环境、负载情况等进行测试再进行具体参数的调节，从而减少开关电源功率的损耗，提高开关电源的效率。
参考文献：
[1]陈永真陈之勃著《反激式开关电源设计、制造、调试》
[2]沙占友庞志峰周万珍等著《开关电源设计入门》
[3]陈建强等著《精通开关电源设计》