应用笔记 5766

正确选择配合MAX13256工作的变压器

By: Micheal Scherrenburg

摘要 : MAX13256是一款10W变压器驱动器,为电气隔离层之间的功率传递提供行之有效的改进技术。与所有变压器驱动器一样,为了获取良好的系统性能需要,要求变压器具有良好的技术指标。尽管很多变压器都可以配合MAX13256工作,但并非所有变压器数据手册上都给出了针对变压器驱动应用规定的指标。本应用笔记讨论如何选择满足应用需求的变压器。

引言

MAX13256为小尺寸、高性能变压器驱动器,理想用于工业或医疗环境下的隔离电源。MAX13256为非稳压型DC-DC转换器件,也就是说没有包含控制副边电压的反馈环路。考虑到这一原因,MAX13256对于副边电源不需要严格稳压的设计极具吸引力。即使对于需要副边稳压的应用,MAX13256也能提供较强优势,因为增加副边稳压后虽然提高了成本,但性能远远优于没有任何模拟隔离反馈的方案。
那么,如何设定输出电压呢?与普通DC-DC架构不同,MAX13256始终以50%占空比驱动变压器,输出电压由变压器绕组匝数比决定。必须根据具体应用,谨慎选择或指定合适的变压器。
为方便选择变压器,可简单地选择适合MAX13256的现有产品,或查询通用变压器产品目录,查找合适的产品。此外,变压器供应商也提供定制设计,基本不需要NRE,而且交货速度很快;所以,如果标准产品不能满足需求,可进行定制,许多变压器厂商提供高指标设计。对于那些需要帮助的厂商,您可以提供基本的设计参考。

变压器指标的主要影响

确认变压器满足您对隔离的关键需求后,还要考虑其它因素。以下是变压器指标的主要影响因素:
  • MAX13256功耗:受磁芯损耗和励磁电感的影响。
  • 变压器功耗:受磁芯损耗、原边电阻、励磁电感和副边电阻的影响。
  • 输出电压:受原边电阻和副边绕组的影响。
  • 峰值输出电流:受磁芯损耗和励磁电感的影响。

选择适合MAX13256的现有产品

现有产品通常足以满足应用需求。由于商品化变压器本身已经综合考虑了许多因素,应优先考虑选择这种产品。变压器通常给出特定温度范围内的额定电流。
如果变压器数据手册明确说明其兼容MAX13256,请查阅数据手册进一步确认满足以下要求:
  • 隔离电压
  • 温度范围
  • 输出负载电流
然后,使用“MAX13256兼容变压器”电子表格做进一步验证,以免超出指标限制。例如,如果超过输出电流指标,可能造成变压器或MAX13256过热。
对于变压器驱动电流,需要在实验室利用各种不同负载及过温条件对原型设计进行验证,这一点非常重要。分析中不可能包括所有因素,所以,分析数据只能作为初步设计的参考,可避免在实际电路测试中对电路的改动不大。

MAX13256兼容变压器”电子表格

针对配合MAX13256工作而设计的变压器大多提供温度范围、隔离电压、ET乘积(有时称为ET常数)、最大副边(输出)电流,以及原边和副边电阻等参数。但通常缺少磁芯损耗和励磁电感。
有了这些参数,即可创建良好设计,有些重要参数需要进一步确认。然而,如果要求总功耗或效率指标,则必须通过原型测试才能获得。通过验证确保没有超过ET乘积,以及输出电压足以满足目标应用。
例如,假设输入电源为26V,需要有此产生隔离的5V电源。器件工作在商用温度范围,需要5kV隔离,负载电流0.5A。
通过搜索,发现一款合适的变压器,TGMR-502V6LF 。变压器具有足够的隔离,温度范围和输出负载驱动能力也由于指标要求。我们利用电子表格验证其它参数。图1所示为参考MAX13256数据手册输入的第一部分内容:
Figure 1. Data entry for MAX13256 specific transformer example, MAX13256 section.
图1. MAX13256兼容变压器数据示例,MAX13256部分。
电子表格的C3单元是MAX13256内部桥式开关的导通电阻之和,即数据手册中的指标ROH和ROL之和,典型值为1.6Ω。按照最差工作条件分析,将C3单元更改为2.5Ω。电子表格C4单元是最小开关频率,单位为kHz。如果使用内部振荡器作为时钟,该值为510kHz;如果使用外部时钟,在此输入CLK引脚的最低频率。
接下来,在第二部分输入变压器数据手册参数,参见图2
Figure 2. Data entry for MAX13256 specific transformer example, transformer section.
图2. MAX13256兼容变压器数据示例,变压器部分。
在电子表格C7单元输入MAX13256 VDD引脚的电压,本例为26V。在C8单元输入最大输出负载电流,本例为0.5A。在C9至C12单元输入相应的变压器指标。
Figure 3. MAX13256 secondary rectifier topologies.
图3. MAX13256副边整流器拓扑。
图3所示为两种常见的副边整流器拓扑。如果副边整流器拓扑为推挽式,在C11单元输入原边匝数的两倍。例如,如果使用TGMR-512V6LF,即推挽式整流器,则在C11单元输入“8”,在C12单元中输入“1”。
该拓扑结构也影响C13单元的输入内容。对于全波整流器,输出电压跌落为2倍的二极管压降,而推挽式架构下的跌落电压只为一个二极管压降。查阅二极管数据手册,确定每个二极管的预期正向导通电压。如果尚未选择二极管,输入表1建议的默认值,然后在选好二极管后以接近数值替代。
表1. C13单元默认值
整流器拓扑 二极管拓扑
肖特基
推挽式 0.45V 0.7V
全波 0.7V 1.4V
最后,查阅电子表格的第四部分的计算结果。C23单元计算出该应用所允许的最小ET常数,变压器指标必须等于或大于该值。Halo TGMR-502V6LF变压器的ET常数为60V-µs,大于C23单元计算的最小值。
C24单元计算整流器输出,约为5.4V。如果需要隔离的5V稳压电源,使用压差为0.4V或更小的LDO稳压器提供输出。
由于并未考虑所有因素,在进行最差工作条件分析时,将输出电压降低1%至5%。另外还要注意,轻载条件下,输出电压可能远远高于计算值。例如,从MAX13256数据手册第5页的右下图可以看出这一点。
如果轻载下对输出电压要求非常严格,在实验室以所要求的最小负载进行原型测试,测量输出电压。有些情况下,可在输出端预先并联一个电阻,以降低轻载时的输出电压。
Figure 4. Calculated results for MAX13256 specific transformer example.
图4. MAX13256兼容变压器示例的计算结果。

选择一款并非针对MAX13256设计的变压器

如果找不到专门配合MAX13256设计的变压器,可以扩大搜索范围,查找一些并非专门针对MAX13256设计的标准变压器。只需查阅几项关键参数,即可快速缩小搜索范围。
首先排除不满足隔离要求的变压器;然后,检查匝数比和ET乘积,具体取决于是否提供中心抽头。例如,如果原边带有中心抽头,则可选择驱动整个绕组或仅驱动半个绕组。一侧有中心抽头的变压器提供了两种选项,原边和副边均带中心抽头的变压器则提供了四种选择。
表2列出了所有可能性,仅保留满足第三栏和第四栏标准的选项。查阅表2时,ET乘积计算如下:
ET = (1000 × VIN)/fSW
式中, ET为计算的乘积,基于电路要求。
VIN为输入电压,单位为V。
fSW为最小输入时钟频率,单位为kHz;如果使用内部振荡器,则为510kHz。
表2中,暂定匝数比(TR)定义为所要求的输出电压与输入电压之比。
表2. 标准变压器选择标准
使用原边中心抽头? 使用副边中心抽头? 计算ET乘积 该比值必须大于暂定匝比
No No 变压器ET Full Secondary Turns/Full Primary Turns
No Yes 变压器ET End-to-Center-Tap Secondary Turns/Full Primary Turns
Yes No 1/2 变压器ET Full Secondary Turns/End-to-Center-Tap Primary Turns
Yes Yes 1/2 变压器ET End-to-Center-Tap Secondary Turns/End-to-Center-Tap Primary Turns
最后,利用 MAX13256通用变压器电子表格进行验证。

使用 MAX13256通用变压器电子表格验证

除了以上提及的技术指标,许多变压器数据手册还给出了励磁电感,有时称为原边电感。由于该指标是在其它绕组全部开路时测得的,所以有时也称为OCL或开路电感。
OCL是一项重要指标。与Maxim之前的变压器驱动器不同,MAX13256限制原边峰值电流,提供过载和短路保护。原边电感导致原边电流呈现经典的“基架上的纹波”,如图5所示。
Figure 5. Current waveform at the primary.
图5. 原边电流波形
负载恒定时,变压器通过平均电流,包括变压器磁芯发热消耗的电流和将功率传递给负载的电流。原边电感导致在平均电流上方出现电流纹波。电路分析时,必须确认峰值电流不会错误地触发MAX13256进入保护状态。
我们来看另一个例子,假如输入电压为12V,需要产生隔离的12V、200mA电源,提供1kV隔离。通过搜索发现一款变压器:Coilcraft Q4470-CL2。利用MAX13256通用变压器电子表格验证其它参数,图6所示为第一部分输入内容:
Figure 6. Data entry for MAX13256 general-purpose transformer example, MAX13256 section.
图6. MAX13256通用变压器数据示例,MAX13256部分。
电子表格的C3单元是MAX13256内部桥式开关导通电阻之和,即数据手册指标ROH、ROL之和,典型值为1.6Ω。对于最差工作条件分析,将C3单元更改为2.5Ω,这是ROH、ROL最大值之和。电子表格的C4单元为最小开关频率,单位为kHz。如果使用内部振荡器作为时钟,该值为510kHz;如果使用外部时钟,在此输入CLK引脚的最低频率。
为防止过载和电路故障,MAX13256限制提供给变压器原边的峰值电流。ITH引脚电阻设置该限流门限。除非需要更严格地限制输入电流,ITH引脚的电阻应为1KΩ,保证500mA峰值电流限值。如果ITH电阻值高于1KΩ,那么在C5单元中输入设置的限流值,单位为A;否则,使用默认值0.5A。
接下来,在输入第二部分用户参数,如图7所示:
Figure 7. Calculated results for MAX13256 general-purpose transformer example.
图7. MAX13256通用变压器示例的计算结果。
在电子表格C8单元输入MAX13256 VDD引脚的驱动电压,本例中为12V。在C9单元填写输出负载电流,本例为0.2A。根据变压器数据手册输入C10至C14。尽管变压器具有原边和副边中心抽头,但本设计中并未发挥其优势。如果使用原边中心抽头,在C12单元中的原边匝数输入项应为一半,即1.5。同样,如果设计中使用副边中心抽头,C13单元中的值应为一半,即2。
拓扑结构影响C15单元输入的内容。对于全波整流器,输出电压跌落为2倍的二极管导通压降;对于推挽式架构,输出跌落为1个二极管的导通压降。查阅二极管数据手册,确定每个二极管的正向导通电压。如果尚未选择二极管,输入表1推荐的默认值,然后在选好二极管后用接近的数值替代。
接下来,查阅图8所示电子表格第四部分计算结果。
Figure 8. Data entry for MAX13256 general-purpose transformer example, entered by customer section.
图8. MAX13256通用变压器数据示例,用户输入部分。
C32单元计算该应用所允许的最小ET乘积,变压器ET乘积为32V-µs,大于C32单元要求的23.5。如果MAX13256驱动器连接至原边的一段和中心抽头,变压器将提供规定指标的一半,即16V-us,不满足设计条件,所以该应用中不能使用该变压器。
C33单元计算MAX13256可接受的峰值电流,该值必须低于C5单元输入值。注意,F33单元指示“GOOD”。如果C33单元计算值太高,F33单元将指示“PK CURRENT TOO HIGH”。
电子表格C35单元计算电路的输出电压,本例中为大约13.9V。如果希望非常稳定的12V输出,应为LDO留出足够的压差裕量。
查看图9“功耗”信息。

图9. MAX13256通用变压器示例,功耗部分。
对于一个良好设计,这些功耗指标在合理范围。注意,变压器功耗指标包括未知的磁芯损耗,估算值为200mW,即C16数值。配合MAX13256使用的变压器的类型,对于信誉良好的厂家,磁芯损耗要低于200mW估算值。再次说明,在实验室检验电路性能非常重要。

为变压器厂商规定变压器指标

如果您无法获取合适的标准产品,则可考虑请变压器厂商定制产品。
与信誉良好的变压器厂商配合的最佳方式就是在设计阶段与其一起工作。利用MAX13256通用变压器电子表格制定变压器的暂定技术指标。
应该提供给变压器厂商的硬性指标包括:
  • 隔离电压
  • ET常数
  • 输出电流
  • 匝数比
推测“软”指标,做好变压器厂商建议修改的准备。
  • 调整C14单元的原边电感,直到C20单元与C9单元之比小于0.3,这表示变压器应该提供的最小原边电感,是最容易满足的软指标。
  • 磁芯损耗估值为0.2W,变压器厂商将通过选择不同的铁氧体和磁芯来调节该指标。变压器厂商在铁氧体和磁芯方面的经验对您来说是最宝贵。
  • 调整原边和副边电阻,大体上与匝数比成比例,直到C39单元的变压器功耗低于0.75W,C38单元的MAX13256功耗低于1.0W。由于变压器厂商通常会尽可能接近您提供的数值,所以这些指标略显保守。
将这些指标交给变压器厂商进行检查,然后根据反馈意见进行调整。除了对您的设计有帮助外,变压器对于生产质量和产品测试也很有价值,特别是当您需要超过2.5kV的隔离电压时。

利用MAX13256 XFMR设计电子表格设计变压器

如果您希望对电路提供更严格的控制,可以初步设计一个变压器,然后交给变压器厂商进行检查。指定铁氧体和磁芯,以及每个绕组的线规、匝数。即使您计划采用定制变压器,绕制一个初步的设计也有助于深入了解变压器厂商的设计。
例如,假设我们为MAX13256设计的变压器提供9V @ 0.7A和5V @ 0.4A,电源为24V。该变压器将有一个原边和两个副边。
第一步是选择铁氧体材料。由于大多数设计使用MAX13256的内部振荡器,所以所选材料应该在255kHz至700kHz保持良好的工作。尽量使用相对磁导率超过1,000、磁通密度高于0.25 T的材料。参见图10
我们尝试使用N49铁氧体材料3,利用数据资料填写电子表格的铁氧体参数。
Figure 10. Ferrite data sheet section of the MAX13256 transformer design spreadsheet.
图10. MAX13256变压器设计电子表格的铁氧体数据。
在铁氧体数据手册第2页,BS表示峰值系统密度,100° C时为400mT,输入C2单元。C3单元计算降额最大磁通密度。利用降额磁通密度作为指导,帮助设定实际磁通密度。查阅数据手册第5页左下角有关相对磁芯损耗与频率的关系曲线图,200mT曲线停止在200kHz。为了在300kHz以上使用该材料,应将磁通密度限制在100mT或以下。可以尝试各种不同的磁通密度,注意较高的密度降低线损,较低的密度降低磁芯损耗。
本例中,选择75mT,输入C4单元。从同一图表可知,500kHz下,100mT时的磁芯损耗约为700,50mT时约为100。几何平均值约为265,所以在C5单元输入磁芯损耗350kW/m3。较大的磁芯损耗考虑了500kHz以上工作的可能性。
第二步是选择磁芯,本例中为Ferroxcube® EP134。根据数据资料,在电子表格的磁芯部分输入数值,如图11所示。
Figure 11. Core data sheet section of the MAX13256 transformer design spreadsheet.
图11. MAX13256变压器设计电子表格的磁芯数据资料部分。
在磁芯数据资料的第693页左上部,可查到具体磁芯的参数。参数有磁芯的横截面积、有效长度以及有效体积。窗口区域为用于缠绕导线的空间,对于该EP13磁芯数据手册,必须根据第693页的图1计算得到。窗口区域为磁芯数据资料第693页图1底部插图的无阴影区域。
在第696页可查到每匝平均长度(MLT)。导线并非直接缠绕在磁芯上,而是缠绕在线圈架上,后者决定绕组相关的参数。
然后,在表格中输入相应的电压和电流,如图12所示。
Figure 12. V and I section of the MAX13256 transformer design spreadsheet.
图12. MAX13256变压器设计电子表格的V和I部分。
这些参数取自于电源电路的设计要求。如图13所示。
 Figure 13. Switching frequency and peak current input to the MAX13256 transformer design spreadsheet.
图13. MAX13256变压器设计电子表格的开关频率和峰值电流。
电子表格的C22单元为MAX13256内部桥式开关的导通电阻总和,也就是数据手册中ROH、ROL之和。典型值为1.6Ω。按照最差工作条件分析,将C22单元更改为2.5Ω,这是最大导通电阻值。电子表格C20单元是最小开关频率,单位为kHz。如果使用内部振荡器作为时钟,该值为510kHz;如果使用外部时钟,在此输入CLK引脚的最低频率。
为防止过载和电路故障,MAX13256限制提供给变压器原边的峰值电流。ITH引脚电阻设置该限流门限。除非需要更严格地限制输入电流,ITH引脚电阻应为1KΩ,保证500mA峰值电流限值。如果ITH电阻值高于1KΩ,则在C5单元输入限流值;否则,使用默认值0.5A。
现在先将初步设计放在一边,选择导线和匝数,这是一个迭代过程。逐步调整匝数和导线尺寸,直到得到合适的变压器。增加匝数降低磁芯的峰值磁通密度,降低磁芯损耗;然而,增加匝数就不得不使用较细的导线,以满足空间要求,进而又增大了电阻和绕组损耗。
从MAX13256变压器设计电子表格的匝数设置部分开始。如图14所示。
Figure 14. User turns section of the MAX13256 transformer design spreadsheet.
图14. MAX13256变压器设计电子表格的用户匝数部分。
注意C30、C31和C32单元中的值,这些是所要求的最小匝数。我们首先将这些值分别输入C35、C36和C37单元,如图14所示。D35、D36和D37单元显示“GOOD”。如果其中某个或多个单元显示“NOT ENOUGH TURNS”,则必须增加相应的匝数。
我们继续,观察电子表格线圈部分。
Figure 15. User wire section of the MAX13256 transformer design spreadsheet.
图15. MAX13256变压器设计电子表格的用户导线部分。
电子表格根据匝数和允许的绕组面积,在C51、C53和C55单元显示推荐的导线规格,用户可对其进行调整。现在,只需将其复制到C59、C60和C61单元,如图15所示。如果D66单元显示“OVERSTUFFED”,则必须调高C59、C60和C61单元的数值,直到显示“GOOD”。
如果设计会在正常工作期间触发MAX13256的过载保护电路,D86单元会显示另一项警告,表示“PK CURRENT TOO HIGH”。警告的原因要么是原边绕组不足,要么是试图转换的功率超出了MAX13256的能力。由于MAX13256峰值电流限值为0.5A,提供的电源必须小于供电电压的一半。例如,电源为24V时,MAX13256将不能提供高于12W的功率。参见图16
Figure 16. Output voltage section of the MAX13256 transformer design spreadsheet.
图16. MAX13256变压器设计电子表格的输出电压部分。
图3所示为两种常见的副边整流器拓扑。对于全波整流器,输出电压跌落为2倍的二极管压降,而推挽式架构下的跌落电压只为一个二极管压降。查阅二极管数据手册,确定每个二极管的预期正向导通电压。如果尚未选择二极管,在C98和C103输入表1建议的默认值,然后在选好二极管后以接近数值替代。
注意,C99和C104单元结果用于计算输出电压。我们得到的不是9V和5V,而是7.6V和4.4V。我们需要增加副边匝数,以提高电压。
调整C36和C37单元的副边绕组匝数,直到这些电压适当高于所要求的电压。副边匝数为10匝和6匝时,我们得到的是9.6V和5.4V。现在,D66单元显示“OVERSTUFFED”。本例中,增大匝数造成磁芯窗口区域的导线太多,注意图17电子表新的推荐值。
Figure 17. New user wire suggestions.
图17. 新用户导线建议值。
现在,D35、D36、D37、D66或D86单元有警告显示。当原边为22匝24线规,9V副边为10匝22线规,5V副边为6匝24线规时,预期输出为9.6V @ 0.7A (C99单元),5.4V @ 0.4A (C104单元)。
E105、F105和G105单元估算功耗。本例中,MAX13256功耗大约为0.5W,变压器功耗为大约0.25W,整流二极管功耗约为1W。
Figure 18. Revised output voltage section of the MAX13256 transformer design spreadsheet.
图18. MAX13256变压器设计电子表格的修正输出电压部分。
最后一步是生产变压器,在实验室搭建原型,然后验证电路工作是否安全。参见图18
如果您考虑使用中心抽头的副边,利用该电子表格,确保副边匝数与副边线规相匹配。

结论

由于匝数比决定了输出电压,必须谨慎选择配合MAX13256设计工作的变压器。除了选择专门针对MAX13256设计的变压器外,也可选择满足要求的标准化产品。如果以上两种途径都不满足需求,可定制或设计专用变压器。利用基本信息和本文提供的简单设计步骤,能够快速地从基本概念设计出实际电路,搭建原型并在实验室进行验证。

参考

  1. The data sheet for this transformer can be seen at: www.haloelectronics.com/pdf/smd5kv.pdf
  2. The data sheet for this transformer can be found at: www.coilcraft.com/pdfs/mintrans.pdf
  3. The data sheet for this material can be found at: www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/ProductCatalog/Ferrites/Materials/PDF/PDF__N49,property=Data__en.pdf;/PDF_N49.pdf
  4. The data sheet for this core can be found at: http://ferroxcube.com/prod/assets/ep13.pdf