关于如何计算变压器初次级匝数，如何确定占空比

Question

大家好，输入90-264VAC，输出5V3a 9V2 12V1.5快充充电器。能不能就这个具体例子讲解下变压器匝数怎么计算，占空比如何确定以及吸收电路怎么取值？谢谢！

Answer 1

引自免费微信小程序：皆我百晓生

在设计一个开关电源（SMPS）时，变压器的初级和次级绕组匝数、占空比以及吸收电路的选择是关键因素。这里我将逐步解释如何为给定的90-264VAC输入，5V/3A, 9V/2A, 和12V/1.5A的多输出快充充电器设计这些参数。

变压器绕组比例

首先，我们考虑变压器的电压转换比，这是由初级和次级绕组的匝数决定的。设初级绕组的匝数为N1，次级绕组的匝数为N2，那么理想情况下电压比（Vp/Vs）等于绕组的匝数比(N1/N2)。

给定输入电压范围为90V至264VAC，我们需要确保变换器在全输入范围内都能工作。因此，我们需要选择一个适当的初级绕组，使得它能处理整个输入电压范围。通常，我们会选择一个最大输入电压作为设计基准，比如264VAC。

假设我们选择次级电压为5V（因为这是最低的输出电压），则初级和次级的电压比将是： [ \frac{V_{\text{primary}}}{V_{\text{secondary}}} = \frac{264V}{5V} ]

这将给出初级和次级的绕组比例。实际设计时，为了简化绕制和提高效率，通常会选择一个整数比例。例如，我们可以选择1:50的比例，这意味着N1=2640匝，N2=528匝。然而，这只是初步估算，实际设计中可能还需要考虑到磁芯尺寸、电流密度等因素进行调整。

占空比(Duty Cycle)

占空比（D）是指在一个开关周期内导通时间与总周期时间的比值，它是控制输出电压的关键参数。对于升压型变换器，占空比的计算公式为： [ D = \frac{V_{\text{out}}}{V_{\text{in}} \times (1 + N_{\text{pri}} / N_{\text{sec}})} ]

在这个例子中，我们已经确定了初级和次级的绕组比例为1:50，并且我们知道每个输出电压的需求。让我们先计算5V输出的占空比： [ D_5V = \frac{5V}{264V \times (1 + 2640 / 528)} ] [ D_5V = \frac{5V}{264V \times (1 + 5)} ] [ D_5V = \frac{5V}{264V \times 6} ] [ D_5V \approx 0.0379 ]

同理，可以计算出9V和12V输出的占空比，然后取其中的最大值作为整个变换器的设计占空比，以保证所有输出都可以正常工作。

吸收电路（Flyback Diode）

吸收电路（也称为续流二极管）用于防止反向电压尖峰对开关元件造成损坏。对于每个输出，都需要一个相应的吸收二极管，其连接方式是从输出电容到次级绕组。

选择吸收二极管时，主要考虑以下几个参数：正向压降、反向恢复时间以及额定电流。对于5V/3A、9V/2A和12V/1.5A的输出，选择具有足够电流容量和低正向压降的肖特基二极管是个不错的选择。例如，1N5819是一个常见的选择，它可以承受较大的电流，而且正向压降较低。

在电路中，吸收二极管应并联于每个输出滤波电容上，如下图所示：

          +Vin
            |
            V
            |
   +--------+      +--------+
   |        |----|        |
   |  L1    |----| C_out1 |---+-----+
   |        |    |        |   |     |
   +--------+    +--------+   |     |
                             |     |
                             |     |
                             |     |
   +--------+      +--------+   |     |
   |        |----|        |   |     |
   |  L2    |----| C_out2 |---+-----+
   |        |    |        |   |     |
   +--------+    +--------+   |     |
                             |     |
                             |     |
                             |     |
   +--------+      +--------+   |     |
   |        |----|        |   |     |
   |  L3    |----| C_out3 |---+-----+
   |        |    |        |   |     |
   +--------+    +--------+   |     |
                             |     |
                             +-----+
                              GND

在这里，L1、L2和L3分别对应5V、9V和12V输出的电感，C_out1、C_out2和C_out3是对应的输出滤波电容，而吸收二极管则并联在每个C_out之后。

注意事项

在实际设计中，还有其他一些因素需要考虑，例如磁芯材料、开关频率、热设计、EMI滤波等。此外，上述计算仅基于理论模型，在实际应用中可能需要通过试验和调整来优化性能。如果你不熟悉硬件设计，建议找一位有经验的电子工程师协助完成这项任务。

如果你需要进一步的帮助，比如具体的电路图设计或详细的元器件选择，欢迎提问。