[关键词]：功率变换器 电感储能式变换器 磁感应强度
1、引言
近两年来，单片式开关电源功率变换器VIPer22A因其封装小巧、外围电路简练、工作稳定可靠程度高等因素，应用一天天多了起来。VIPer22A芯片内部采用电流控制型PWM调制器，适用于电池充电器、电源适配器、电视机或监控器的待机电源，尤其适用于各种控制电路的辅助电源。进一步分析下来，觉得其外围电路易于掌握，但对其电源变压器各项参数，却往往疏于深入了解。这里就着重阐述一下单片式开关电源变换器VIPer22A的高频变压器的设计、调试程序及其具体方法，也许不是没有裨益的。
2、VIPer22A功能概述
2.1、VIPer22A器件的内部电路结构框图
功能概述
VIPer22A型单片式开关电源功率变换器，内部高压功率MOSFET漏-源极的击穿电压可达730V以上；极限电流在0.56～0.84A之间（典型值为0.7A），通态电阻15Ω；输入电压在由85～265VAC范围内波动时，可输出12W的功率；具有过流、过压和过热等带迟滞特性的保护功能，因此其工作稳定可靠性能极好。只要变压器设计无误，几乎无需调试，连通电路就能正常投入运行。
其封装形式为DIP-8封装。FB为输出电压反馈端，其电压范围在0～1V之间。UDD为控制电路的电源端，上电瞬间由来自高压电流源的电流向UDD端——包括外围电容充电，当UDD端电压达到14.5V时，自动关断高压电流源；当UDD低至8V时又自动开启高压电流源。功率MOSFET开始工作以后，改由电源变压器的辅助绕组继续供电，确保器件始终处于正常运行状态。
3、整体电路工作原理
应用单片开关电源变换器VIPer22A制作的的12V开关电源，其电原理图如图二所示。
启动过程
接通电源瞬间，VIPer22A变换器内的高压电流源投入运行，并自动启动电源，当UDD电压达到开启电压值UDD（ON）＝14.5V（典型值）时，高压电流源被关断，功率MOSFET投入工作，辅助绕组在高压电流源关断后即开始为芯片供电，至此，VIPer22A变换器完成启动程序。变压器T的初级绕组中将有电流流过，该电流在变压器磁芯中产生磁通，磁通的出现在各绕组中产生感应电势，其方向如同名端符号所示。其次级的感应电势也为VIPer22A提供了电源电压VDD，瞬间就使变换器投入正常运行。各绕组同名端表明，在功率MOSFET导通时，整流管VD7呈反向偏置状态；功率MOSFET截止时，VD7导通——故称单端反激式变换器，也称电感储能式变换器——向电容C9和C10充电，由于工作频率高达60KHz，即使电容量不大，也可以满足负载对纹波电压的要求。平波电感L的数值在几十微亨即可满足对纹波电压的要求，有些场合甚至可以不要，加大滤波电容的容量即可。
3.2、自动调节过程
当外电压波动时，反馈到集成可调基准稳压器N3输入端1脚的电压相应变化引起其输出端3脚电压反向（与N3的1脚电压变化方向相反，下同）的变化，再通过光耦N2使集成电源变换器N1的控制端3脚FB电压反向变化，从而N1内的功率MOSFET的栅极脉宽反向变化，最终引起输出端电压反向变化，而使输出电压最大限度地恢复到外电压波动前的数值上。
当输出端的负载电流发生变化时，输出电压也会相应变化，同样要引起N3输入端电压的变化，N3输出端的变化通过光耦N2使N1的FB电压变化，从而N1内的功率MOSFET的栅极脉宽反向变化，最终引起输出端电压反向变化而保持其输出电压的尽量稳定。通常稳压器的源电压调整率优于负载调整率，对于开关稳压器尤其是这样。应用VIPer22A器件制作的稳压器，其负载调整率低于源电压调整率，所以一般都将该器件应用于输出电流固定或变化不大的场合下。
4、高频电源变压器的估算
凡学过电子线路的，对开关电源也不会陌生，甚至还会觉得很简单；一旦制作出来，却又觉得不甚满意。查找原因，往往是高频电源变压器参数没选好。下面结合一个单端反激式变换器实例介绍该变压器T的估算方法。
4.1、磁芯的估算
采用单片开关电源功率转换器VIPer22A，给定输出功率为8W，效率为0.8，输入功率为10W；磁心材料为Mn—Zn功率铁氧体R2K5D。参照《新型开关电源及应用》一书，将实选数值代入 的求值公式得：
选EI25型磁芯，得磁芯截面积Sc约等于0.43Cm2，窗口截面积So约为0.78Cm2，0.43×0.78＝0.34 Cm4＞＞0.07Cm4，所以磁芯满足要求。一方面，磁感应强度不应选得太大，选得太大磁芯将进入于饱和区，开关电源无法正常工作，甚至毁坏元器件。另一方面，磁感应强度也不应取得太保守，取保守值势必增加圈数，并增大气隙，也就是增大了漏感，增大了尖峰电压；尖峰电压过大，也就增加了噪声电压，最重要的是降低了工作可靠性和使用寿命，集成电路VIPer22A容易损坏。之所以选用较大磁芯，完全是出于试制方便上的考虑的。试制以后，完全可以选用小些的磁芯，如EI22等。
4.2、匝数的估算
次级绕组匝数
AC220V整流滤波后按300V计算。参照《新型开关电源及应用》一书上的公式得：
NP＝240.6T，取240T， 为初级绕组数。
导线取0.17mm漆包线。
初级匝数大体上的核算
参照《新型开关电源及应用》一书上的公式得：
H＝348A／m
已知R2K3D铁氧体的H值为1194A／m，远大于计算值348A／m，故认为满足要求。
次级绕组匝数
式中： ————-变压器次级输出电压，考虑到各种压降，应为1.5倍的额定直流输出电压，即1.5×12＝18V；
————-变压器初级考虑到可能输入的最低电压，取127V。
代入（3）式，得
N＝34T。
导线取0.47漆包线。
反馈绕组提供8～40V的VDD电压，由于提供电流很小，可取
导线选0.11漆包线。
取 ＝240T，电感量为8.6mH（磁芯间垫入三层打印纸）， ＝ ＝34T。当输出DC16.1V0.32A时，脉宽为5μS／17μS／58.4KHz，反向电压峰值44V；反馈电压DC18.5V。当输出DC12V时，脉宽为4μS，反向电压峰值44V，反馈电压DC12.3V。该组数据的电压波形上无尖峰电压，前后沿也很陡峭，值得采用。若反馈电压低于10V，可将NF的匝数适当增加。
4.3、线径的估算
10W以下的小型高频变压器，尤其是在风冷条件下，散热良好，其绕组导线截面积可按流过电流的有效值（3～4）A／mm2来选即可；当然，若是窗口面积允许，按（2～3）A／mm2更好。当线径小于1mm时，可不考虑或忽略高频电流集肤效应的影响；否则，可采用几根细线并为一股并绕。电流有效值与最大值有如下关系
4.4、电感量的测量与调整
尽管开关电源也属电子线路范畴，通常的测试仪器仪表就能满足需求，但高频变压器初级绕组电感量必须备有精度较好的电感表来检测，不能以匝数相同磁芯牌号一样而免检。
一般来说，高频变压器磁芯间总要垫入几片纸以确保留有一定的磁隙的。这样做的目的有三：
1. 避免磁芯磁感强度进入饱和区，确保工作稳定可靠性能；
2.调整电感量，满足输出功率的要求；
3.在满足输出功率的情况下降低电感量，削减尖峰电压，增加安全可靠度。所以该工序不能省略。
5、结论
尽管单片开关电源功率变换器VIPer22A的各项参数的极限值相当可观，但正如众所周知的那样，从安全稳定的可靠性设计方面考虑，在实际应用中，其电压、电流、功率等极限参数还应降额使用——当乘以0.5的保险系数。所谓极限值，当是不连续重复的最大值，是瞬时的，不可当做稳定状态来持续运行。只有这样，按规定设计程序和制作工序完成的开关电源才能稳定可靠地运行。
