So wählen Sie einen Transformator für einen isolierten Abwärtswandler aus

Einleitung

Die Auswahl eines Transformators kann ein zentrales Verfahren zur Gestaltung isolierter Abwärtswandler sein. In diesem Tutorial wird erläutert, wie ein isolierter Abwärtswandler funktioniert, welche Parameter bei der Auswahl eines Transformators im Fokus stehen, wie diese Parameter die Wahl des Transformators beeinflussen und wie sich der Transformator auf einen Schaltungsparameter auswirkt.

Wie funktioniert ein isolierter Abwärtswandler?

Gleich wie ein Abwärtswandler. Auch Abbildung 1 stellt eine Iso-Abwärtstopologie dar. Durch den Austausch der Induktivität in einer Abwärtsschaltung durch einen Transformator ergibt sich ein Iso-Abwärtswandler. Die Transformator-Sekundärseite hat eine unabhängige Masse.

Abbildung 1. Iso-Buck-Topologie.

Während der Einschaltzeit ist der High-Side-Schalter (QHS) eingeschaltet und der Low-Side-Schalter (QLS) ausgeschaltet und die magnetisierende Induktivität des Transformators (LPRI) wird aufgeladen. Der Pfeil im Blockdiagramm (Abbildung 2) zeigt die Stromflussrichtung an. Der Transformator-Primärstrom steigt linear an. Die aktuelle Rampensteilheit ist abhängig von (Vin – VPRI) und LPRI. Die sekundärseitige Diode (D1) ist während dieses Zeitintervalls in Sperrrichtung gepolt und belastet den Stromfluss von COUT zu Last.

Abbildung 2. Einschaltperioden-Äquivalenzschaltung.

Während der Ausschaltzeit (Abbildung 3) ist der QHS ausgeschaltet, der QLS ist eingeschaltet und die primärseitige Induktivität des Transformators wird entladen. Der Primärstrom fließt vom QLS zur Masse, D1 ist in Durchlassrichtung gepolt und der Sekundärstrom (NSEC) fließt von der zweiten Seitenspule zu COUT und Last. COUT wird während dieser Zeit aufgeladen. (Das Ausschalten von QHS und das Einschalten von QLS können die aktuelle Richtung nicht ändern. Dadurch ändert sich nur die Stromsteilheit. Der positive Strom sinkt bis 0 A, dann steigt der negative Strom an).

Abbildung 2. Ausschaltperioden-Äquivalenzschaltung.

Welche Spezifikation wirkt sich auf den Transformator aus?

Bei der Gestaltung eines Wandlers sollten einige Spezifikationen deklariert und definiert werden, da sie bestimmen, welche Bauelemente verwendet werden, insbesondere in einem Transformator.

Eingangsspannungsbereich
Ausgangsspannung
Max. Tastverhältnis
Schaltfrequenz
Spannungswelligkeit am Ausgang
Ausgangsstrom
Ausgangsleistung

Das maximale Tastverhältnis (D) wird in der Regel im Bereich von 0,4 bis 0,6 zugewiesen. Die minimale Eingangsspannung (V_{IN_MIN}) und das maximale Tastverhältnis bestimmen die primäre Ausgangsspannung (V_PRI). Die primäre Ausgangsspannung und die Ausgangsspannung (V_OUT) bestimmen das Windungsverhältnis des Transformators.

Ausgangsstrom (I_OUT) und Ausgangsleistung (P_OUT) sind wichtige Parameter, welche die Transformatorauswahl beeinflussen. Der Ausgangsstrom hilft bei der Bestimmung der Dicke des Kupferdrahts und die Ausgangsleistung bestimmt, welches Transformatorrahmensystem verwendet wird. Die Durchlässigkeit des Rahmensystems gibt an, wie viel Energie es speichern und wie viel Energie es abgeben kann. Im Allgemeinen wird der mit einem Koeffizienten multiplizierte Ausgangsgleichstrom dem Rippelstrom der Induktivität (des Transformators) zugeordnet. Tastverhältnis und Schaltfrequenz werden verwendet, um die T_ON-Zeit zu berechnen, während V_IN, V_PRI und der Rippelstrom die primäre Induktivität bestimmen. Der zugewiesene Koeffizient darf nicht zu groß oder zu klein sein, da ein großer Koeffizient zu einem hohen Rippelstrom führen kann. Ein hoher Rippelstrom kann zu einer halben H-Brückenstromgrenze führen, was den MOSFET beschädigen kann. Ein hoher Welligkeitsstrom führt aufgrund seines ESR und ESL zu einer hohen Welligkeitsspannung am Ausgangskondensator. Wenn hingegen ein äußerst kleiner Rippelstrom benötigt wird, verwenden Sie eine große Induktivität (Transformator). Es wird ein großes Rahmensystem mit einer großen Transformatorwicklung sein. Die große Induktivität begrenzt die Schleifenbandbreite und die Schleifenreaktionsleistung.

Auswahl eines Transformators

Offensichtlich wurde die Energie nur in TOFF-Zeit zur Sekundärseite übertragen. Das Windungsverhältnis kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden:

Gleichung 1

Dabei ist VD die Durchlassspannung der Diode (D1). Weisen Sie für Vpri ein maximales Tastverhältnis im Bereich von 0,4 bis 0,6 zu. Vpri kann durch die folgende Gleichung berechnet werden:

Gleichung 2

Dabei ist D das maximale Tastverhältnis und V_{IN_MIN} die minimale Eingangsspannung. Berechnen Sie das Windungsverhältnis aus Gleichung 2. Da die Induktivität dem niedrigen Gleichgewichtig zwischen Spannung und Sekunden folgt, wird die erforderliche Induktivität durch die folgende Gleichung in TON-Zeit berechnet:

Gleichung 3

Dabei ist f die Schaltfrequenz und ΔI der Rippelstrom. Wie zuvor erwähnt, entspricht der Rippelstrom dem DC-Ausgangsstrom multipliziert mit einem Koeffizienten:

Gleichung 4

Dabei ist K der Koeffizient. Aber in der Iso-Abwärtswandler-Topologie gibt es einen Transformator und keine Induktivität. Wie können wir das handhaben? Das Stromverhältnis ist invers gleich dem Windungsverhältnis:

Gleichung 5

Dabei ist Ipri_toff der Sekundärstrom, der während der T_OFF-Zeit umgewandelt und auf die Primärseite übertragen wird. Die Summe des primär- und sekundärseitigen Stroms kann als äquivalenter Induktorstrom angesehen werden.

Gleichung 6

Dabei ist ILeq der äquivalente Induktorstrom. Wenn der Transformator drei weitere Wicklungen hat, ist dies die folgende Gleichung:

Gleichung 7

Aber ist das richtig? Lassen Sie es uns mit dem Simulationsergebnis basierend auf dem MAX17682 überprüfen. Abbildung 4 zeigt einen Screenshot der in SIMPLIS gezeichneten typischen Schaltung des MAX17682. Auf beiden Seiten des Transformators T1 wurden Stromtastköpfe, IPRI und ISEC1, angeordnet.

Abbildung. 4, typische Schaltung des MAX17682 in SIMPLIS

Abbildung 5 ist ein Screenshot der transienten Simulation, die aus zwei Tastköpfen resultiert. Unter Verwendung der obigen Gleichungen wurden zwei Stromsignalformen addiert.

Abbildung. 5, Simulierte Stromsignalformen der typischen Schaltung des MAX17682.

Offensichtlich führt der hinzugefügte Strom (Cyan) zu einer Dreieckswelle, gleich wie die Induktivität in einem Nicht-Iso-Abwärtswandler. Der Primärwert des Transformators ΔI kann dann einfach berechnet werden:

Gleichung 8

In der Regel beträgt eine zugeordnete Laststromwelligkeit das 0,2-fache des DC-Ausgangsstroms. K kann 0,2 mal Nsec/Npri zugeordnet werden. Gleichzeitig sollte garantiert werden, dass der Primärspitzenstrom kleiner als der Begrenzungsschalter ist. Dabei ist Ipk wie folgt:

Gleichung 9

Die Primärinduktivität des Transformators kann einfach wie folgt berechnet werden:

Gleichung 10

Durch die Verwendung des Windungsverhältnisses, der Primärinduktivität, der Ausgangsleistung, des Ausgangsstroms und der Isolationsspannungsparameter kann eine Entscheidung in Bezug auf das Induktivitätsdesign getroffen werden.

Warum funktioniert die vereinfachte Gleichung?

Bei der Auswahl der Induktivität kann eine gewisse Unsicherheit mit dem Datenblatt des MAX17682 (Abbildung 6) auftreten. Schauen wir uns an, wie wir es besser verstehen und für unsere Anwendung verwenden können.

MAX17682-Datenblatt – Gleichung.

Gemäß dem obigen Beispiel kann Gleichung 10 umgeschrieben werden, um dieser Gleichung für die T_OFF-Zeit zu folgen.

Gleichung 11

Angenommen, D ist 0,6, wenn und nur wenn ΔI 0,4 A wäre, werden das Polynom (1-D) und ΔI reduziert. Dann sind Gleichung 11 und die Gleichung aus Abbildung 6 gleich. Die Gleichung im Datenblatt wählt bereits den primären Rippelstrom aus. Wenn wir D als 0,6 zuweisen, beträgt der primäre Rippelstrom 0,4 A. In der Menge entspricht das T_OFF-Tastverhältnis dem primären Rippelstrom.

Fazit

Durch Verwenden der in Abbildung 6 gezeigten vereinfachten Gleichung stellt der Benutzer ein schnelleres Design mit einem primären Rippelstrom sicher, der dem Toff-Tastverhältnis entspricht. Wenn Sie den primären Rippelstsrom ändern oder einen anderen Parameter verwenden möchten, wurde in diesem Tutorial erläutert, wie Sie diesen implementieren können.

Um mehr über die Iso-Buck-DC/DC-Wandler der Baureihe MAX17682 zu erfahren, klicken Sie hier