单级反激PFC变压器的计算

单级反激PFC变压器的设计，单级反激PFC是结合了PFC与反激的两者的功能，

能够实现PFC的功能，也有反激的隔离功能，那么单级反激的变器计算与普通的变压器计算是不一样，普通反激的变压器是DC-DC拓扑，而单级反级的输入是一馒头波，那这样的馒头波电压在最低点的时候电压是为0V的，所以用普通的变压器计算是不行了的，

下面我们来根据PFC的计算方法来看下，

首先输入电压是一个正弦的交流，单级既然有PFC的功能，输入电流也是要跟随输入电压的，

那么变压器里面的平均电流应该也是一个馒头波。

根据在最大输出功率最小输入电压时输入电流最大。

那么输入最大有效值电流Iin就能计算出来，首先是确定好最小输入电压Vin_rms ,然后就是最大输入电压下的PF值。

那么Dmax是在最小峰值电压的占空比，要求占空比可以根据反激里面的反射电压Vor来计算就可以了，

首先的确定好开关管的最大电压VDSS，比如是650V，那么根据管子的应力，

Vin_max+Vor+尖峰电压≤90%VDSS

如输入电压最大值是264V，那么峰值电压差不多就是373V，尖峰电压一般是100V，Vor差不多就是120V，一般Vor不会超过输入最小电压的峰值。

根据反激里面的伏秒平衡可以计算出D

下面要计算圈数

计算圈数前先要确定好磁芯，

我们选择了PQ3225的磁芯。Ae值161

电感峰值电流

变压器参数

很多刚接触的开关电源的工程师，在计算变压的时候，有些参数可能不是很理解，其实很多的公式与参数是在我们初中与高中的时候已解学过，只是长时间的不去应用很多都是忘记了的，下面我们来讲解这些参数。

首先对于电感的能量公式，I 是电感上面的流过的电流,电流要是变化的电流。

法拉第的实验表明，不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生。这种现象称为电磁感应现象，所产生的电流称为感应电流。

根据法拉第定律，我们知道电感式只要有变化的电流，那么我们的磁芯中就会有变化的感应磁通，

有变化的感应磁通，就可以通过磁芯把能量传输的其他绕组上面，这就是变压器的原理。

而电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通变化率成正比，若感应电动势用e表示，则，这就是法拉第电磁感应定律。

若闭合电路为一个n匝的线圈，则又可表示为，n为线圈匝数，为变化的磁通量，单位Wb。

看上面的图，变压器是多个绕组在同一个磁芯上面的，

当原边的线圈有变化的电流让磁芯产生变化的磁通时，副边的绕组同样会感应到变化的磁通，那么根据法拉第定律可以知道原边的感应电动势副边的绕组感应电动势,同一个磁芯里面的 相等，所以原副边电压之比是

Ae是磁芯的

Bmax的取值，因为不同的磁芯材料里面的饱和磁感应强度是不一样的，饱和磁感应强度为Bs

我们一般用的铁氧体比较的多，所以经常取Bmax=260mT-280mT，取值这一个值的原因一般应用的磁芯材料是PC40的，磁芯的饱和Bs=390mT，而电源的功率输出可能会有过功率，一般是1.2-1.3，所以我们会去留有余量1.4-1.5倍。

输入差模电感讲解

开关电源的EMC部分经常会看到有加差模电感，这个电感的作用就是用来抑制开关电源的噪声进入电网用的，特别对于要求高PF的电源里面，如果前面加太多的X电容，可能会引起PF值下降，所以很多时候是加差模电感。

高PF开关电源大部分是有功率因数校正电路的，比如APFC电路，是通过控制开关管的开通与关断来实现输入电流与电压跟随，为了实现电流跟随电压一般APFC前面是不能有太大的电容，没有太大的电容，那么开关管开通与关断引起的高频电流纹波不能很好的被滤除，没有被滤除的高频纹波电流随输入线进入到了电网，引起输入传导电磁干扰超标，为了解决EMI的问题，通常会加差模电感，比如下面图上的差模电感。那么这样的一个电感要怎么去计算，很多的人是测试EMI的时候实际去尝试，比如EMI不过的时候就加大电感量。但是我们可以通过计算大的知道需要多大的感量。

这个差模电感既然主要的作用是抑制PFC上面的高频纹波，一般PFC的开关频率都是在150kHz以下，因为EMI测试频率范围是从150kHz开始的。所以我们的要抑制150kHz以上的频率，然后前面的C1与差模电感的截止频率f很多时候是选择0.1-0.3倍的开关频率，C1是指输入部分的X电容。比如一个开关频率是60kHz，那么截止频率差不多是10k左右，根据

 只有知道C就能计算出来电感的感量.

假设一个开关频率fs=60kHz的电源，前面的X电容选择220nF，计算下差模电感。

首先截止频率fc的选取，fc=0.2×fs=0.2×60kHz=12kHz

电感的选择  计算出来的L=800uH

差模电感很多都是用环形铁粉末磁芯材料去绕制，铁粉末磁芯的价格比较低。

在中小功率里面经常看到有差模电感，但是很多的大功率电源里面没有差模电感，这是为什么了，这是功率越大的情况下，输入部分的X电容越大，X电容越大所需要的差模电感的感量越小，比如当X电容大到4.7uH的时候，截止频率到20kHZ的时候，计算出来的差模电感就只有13.4uH，这个感量是非常的小了，我们知道大功率电源里面的EMI部分肯定是有几个共模电感的与X电容形成多级滤波。

如下图所示的EMC输入部分

这里面有3个共模电感与x电容，理想的共模电感在输入的L相与N相的差模回路里面是没有电感量，共模电感是两个绕组在同一个磁芯里面，下面的图就是一个共模电感的实际绕线图，因为两个绕组是同进同出的，电流在L与N回路里面是电流的流向是在另个绕组里面是想反的，两个绕组产生的磁力线相互抵消，导致电感量为0，所以理想的共模电感在差模回路里面是没有电感量的，但是实际绕制的共模电感，因为两个绕组的绕线方式不一定能做到完全一直，也就是耦合做不到100%，这样就有漏感存在，这个漏感就变成了差模电感。

所以功率比较大的电源里面很多都是利用共模电感里面的漏感来抑制开关电源里面的噪声。

现在有很多的共模电感是那种差共模一体的，这样有时候可以减少差模电感，当然这还是要去实际测试下，共模电感的漏感是多大，然后计算下截止频率是多，这样就可以很好的知道要不要放差模电感。

开关电源反馈光耦的选择

光耦在开关电源中应用非常的常见，它是起到一个原副边的信号传输，并且能有效隔离原副边的元器件，当然能传递信号并且有隔离作用的元器件很多，但光耦是一个价格便宜并且外围电路简单的特点，因为要隔离原副边，所以一般开关电源中的光耦的耐压是要选择5000V（有效值）。

光耦首先是分线性光耦与非线性光耦，在我们开关电源中做反馈用的光耦是线性光耦，比如PC817,对于PC817的话，有A档、B档、C档、D档之分

这些档位其实是根据CTR(传输比)来分类的。

CTR是描述光耦控制特性的参数，也就是副边的Ic电流与原边的输入IF电流的百分比。

具体的参数见下面的表格：

从上面的表格来看，每一个档位的CTR都是在一定范围内的，比如A档是80%-160%，这个范围的变化是根据不同的IF电流所得来的，根据PC817A的规格书，我们能看到一个关于IF电流与传输比的曲线图。他的传输比是随电流IF变化而变化的,最大的传输比是在10-20mA之间的电流，而开关电源的反馈电流一般是非常小的。一般都是在1-2mA之内。

那么我们在设计开关电源的时候要先确定好光耦IC的电流，一般IC电流是芯片的FB脚所能流出的最大电流，下面我们来实际计算下。

如下面的图，典型的TL431+PC817 的应用图。

光耦的CTR与R1、R2、R3怎么去选取。

首先要确定好Fb脚的最大的IC电流，假设IC最大电流是1mA，Vo是5V，因为光耦的发光二极的Vf压降一般是1-1.4V之间，R3的作用是在光耦没有导通的时候需要给TL431提供一个1mA的启动电流，所以R3的电阻的选取是Vf除TL431的启动电流  1V÷1mA=1K，当Fb脚需要流过最大电流的时候，光耦原边二极管上面需要的电流If就是IC/CTR=If，那么这里的CTR是一个范围，而不是一个非常准确的数字，比如我们用PC817A，CTR是80%-160%，所以说在计算的时候要用最小的CTR  80%去计算。

根据传输比的定义CTR= Ic÷If，If=IC÷CTR=1mA÷80%=1.25mA，又因为光耦的传输比 80%与160%是在25℃环境温度下的参数，而光耦在不同温度下面CTR是变化的，看下面温度与传输比的曲线图，当光耦温度到100℃的时候CTR只有原来的60%，也就是25℃的时候CTR是80%，到100℃的时候变成了80%×60%=48%。

那么根据最高温度100℃的传输比来计算上面的If=IC÷CTR=1mA÷48%≈2.1mA了，在实际计算的时候还要流有一定的余量，所以根据上面的计算的话，我们If电流要大于2.1mA，一般是计算值的1.3-1.5倍电流就可以了，我们假设1.3倍的电流，2.1mA×1.3=2.73mA。

根据上面的计算，我们光耦的原边的电流最大是2.73mA，然后我们在去看光耦在100℃下面的最大If电流，如果下面的图，光耦在100℃的时候最大的If是18mA，我们实际最大电流是小于3mA，留有非常大的余量。那么因为光衰引起的问题完全可以不用去考虑。

那么R2=（5-2.5-1.4）÷（2.73+1）=295Ω，所以我们实际取值的时候可以取240Ω。

mos管的热阻讲解

电子产品里面半导体器件是非常常见的，半导体器件的应用是会产生热量的，比如说我们的手机芯片在玩游戏的时候发热比较厉害，如果温度高了手机可能会死机等，为了不让手机死机，工程师们就只能解决功耗与扇热的问题，那么功耗与散热的问题就需要关注一个叫热阻的东西。经常查看半导体的规格书的时候，几乎都会有关于热阻的参数，经常看到的是Rja，Rjc，Rjb这三个参数，对于这三个参数很多人都搞不清楚，在实际运用中不知道用那一个参数来计算。

首先我们先来了解几个基本概念。

Ta（Temperature Ambient）环境温度

Tc（Temperature Case ）  外壳温度

Tj（Temperature Junction） 结点温度

Ta 环境温度就是指开关管的周围环境温度，一般规格书里面给出来的都是25℃一个我们的电子产品里面经常会用到的室温环境温度。

Tc 外壳温度就是指半导体器件的封装表面的温度，而对于MOSFET我们经常看到有塑封与铁封的封装，如果是铁封的封装这个TC一般都是指可以靠散热器的一面金属片上的温度，这个温度一般我们都能测试到。

Tj 结点温度是指半导体的内部晶圆的温度。

规格书上的Rja、Rjc、Rjb的概念。

Rja是指半导体晶圆到环境的总热阻，就是结点到环境温度的热阻

Rjc是指半导体晶圆到外壳的的热阻。

Rjb是指半导体晶圆到PCB的总热阻。

知道Rja，Rjc，Rjb的概念后，在实际的应用中就知道怎么去应用了，对于开关电源中的半导体比如二极管，三极管，MOSFET等通过电流就会有损耗产生，有损耗产生就会发热，热量是由晶圆内部向外传导的，晶圆的温度是最高的，所以功率半导体器件经常要去计算最大温度，因为晶圆温度是不能超过最大的结点温度，一般半导体的结点温度在规格书里面会给出来是150℃。那么不同封装的半导体计算时用的不一样，比如To-220封装的MOS管，如果不用散热器的情况，就是晶圆通过外壳向周围的空气散热，所以计算温度的时候就用Rja，计算公式是Ta=Tj-P×Rja，

如果MOS管的总损耗是知道，那就能计算出晶圆的温度是多少，比如Rja 是62℃/W  如果损耗是1.2W 环境温度是65℃，那么MOSFET的结温是多就可以计算出来了，Tj=Ta+P×Rja=65℃+1.2×62℃/W=139.4℃

反过来结温是不能超150℃，如果最大环境温度是65℃，没有加散热器的情况，Rja=62℃/W

MOS管上的最大损耗  P≤（Tj-Ta）/Rja=1.37W, 通过计算最大损耗不能超过1.37W。

如果是加散热器的要分两种情况：

1、加的散热器非常大并且接触足够良好接触热阻非常小可以忽略，Tj=Tc+P×Rjc 那么这个时候的TC就是半导体的外壳表面的温度。

Rjc=0.6℃/W，如果测试外壳温度是25℃，那么最大的功率P=（Tj-Ta）/Rjc= (150-25)/0.6=208W，这个在规格书里面有标注最大功率就是这样计算出来的。

下面我们来看降额曲线图

我们看降额曲线图，外壳温度在25℃以上功率就开始降额了，这个降额曲线图是根据最大结温150℃与Rjc与外壳表面温度Tc的关系，最大功率是208W  Rjc是0.6℃/W  

降额曲线图的公式  P=（Tj-Tc）/Rjc  Ta≥25℃  ，P=Pmax  Tc＜25℃。

2、加了散热器但是散热器是有限的情况，并且接触MOSFET与散热器接触是有热阻的情况，这种情况下  Tj=Ta+P×(Rjc+Rcs+Rsa)  ,这里的Rcs 是指MOS管与散热器接触的热阻，Rsa是散热器对环境温度热阻。而实际用于中我们经常是散热器有限，接触的时候经常是有绝缘片的，所以我们在高温里面测试开关管的温度的时候，经常是要求最高温度在120℃-130℃，因为这里Rjc+Rcs+Rcs＞0.6℃W的原因。如果表面温度高了，里面的结温就会超过150℃。