開關(guān)電源計(jì)算公式中的KRP你確定懂透了？

概述

反激變壓器的優(yōu)點(diǎn)自是不必多說，很多新手都通過反激電源的制作來熟悉電源設(shè)計(jì)，目前網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于反激變壓器的學(xué)習(xí)資料五花八門且比較零散，本文就將對(duì)反激變壓器的設(shè)計(jì)進(jìn)行從頭到尾的梳理，將零散的知識(shí)進(jìn)行整合，并配上相應(yīng)的分析，幫助大家盡快掌握。

今天將進(jìn)行一個(gè)較為完整的分析，KRP作為反激變壓器中的靈魂參數(shù)，該如何對(duì)其進(jìn)行取舍，值得我們深入探討。

首先先對(duì)文章當(dāng)中的將要提到的一些名詞進(jìn)行解釋。

工作模式：即電感電流工作狀態(tài)，一般分DCM、CCM、BCM三種(定性分析)。

KRP：描述電感電流工作狀態(tài)的一個(gè)量(定量計(jì)算)；

KRP定義：

KRP的意義：

只要原邊電感電流處于連續(xù)狀態(tài)，都稱之為CCM模式。而深度CCM模式(較小紋波電流)與淺度CCM模式(較大紋波電流)相比較，電感量相差好幾倍，而淺度CCM模式與BCM、DCM模式的各種性能、特點(diǎn)可能更為相似。顯然需要一個(gè)合適的參數(shù)來描述所有電感電流的工作狀態(tài)。通過設(shè)置KRP值，可以把變壓器的電感電流狀態(tài)與磁性材料、環(huán)路特性等緊密聯(lián)系起來。我們也可以更加合理的評(píng)估產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，例如：

KRP較大時(shí)(特別是DCM模式)，磁芯損耗一般較大(NP較小)，氣隙較小(無氣隙要求，僅滿足LP值)，LP較小，漏感會(huì)較大，紋波電流較大(電流有效值較高)；

KRP較小時(shí)(特別是深度CCM模式)，磁芯損耗一般較小(NP較大)，氣隙較大(有氣隙要求，平衡直流磁通)，LP較大，漏感會(huì)較小，紋波電流較小(電流有效值較低)；

注：KRP較小時(shí)，氣隙也是可以做到較小，但這需要更大的磁芯和技巧；

KRP較大時(shí)，磁芯損耗也是可以做的較小，但這同樣需要更大的磁芯和技巧；

這里說一點(diǎn)題外話，大部分人通常認(rèn)為，相同磁芯、開關(guān)頻率，DMAX，DCM模式比CCM模式下的輸出功率更大；其實(shí)這是不完全對(duì)的(至少不符合實(shí)際,因?yàn)樾枰拗艱MAX，導(dǎo)致空載容易異常)，原因在于DCM模式下磁芯損耗會(huì)超出你的想象(電應(yīng)力也會(huì)如此)；DCM模式下，如果想大幅度降低磁芯損耗，唯一的方法是增大NP，而過大的NP會(huì)與LP形成現(xiàn)實(shí)沖突(DCM模式下，LP一般較小)，造成磁芯氣隙超出你的想象(漏感也會(huì)如此)；有沒有方法解決這種現(xiàn)實(shí)矛盾?答案應(yīng)該是肯定的，即選擇合適的磁芯結(jié)構(gòu)，如長寬比小且AE大的磁芯(PQ、POT系列)，或許會(huì)比長寬比大且AE小的磁芯(EER、EEL系列)更加有優(yōu)勢。(補(bǔ)充：在DCM模式下，如果限制DMAX，則會(huì)比CCM模式下輸出更大的功率)

KRP較大時(shí)，增大DMAX可以在一定程度上降低原邊的紋波電流及有效電流值，但是次級(jí)的電流應(yīng)力會(huì)更加惡劣，這種方法(增大/減小DMAX)只適合平衡初次級(jí)的電壓、電流應(yīng)力，應(yīng)該不是一種很好的設(shè)計(jì)手段。

KRP較大時(shí)，空載啟動(dòng)困難，特別是低壓大電流輸出，且空載無跳頻(寬范圍AC輸入時(shí)尤其如此，如3.3V10A，特別是超低壓輸入)；

KRP較小時(shí)，開關(guān)損耗較大，特別是高壓小電流輸出，且開關(guān)頻率較高(窄范圍AC輸入時(shí)尤其如此，如100V0.5A，特別是超高壓輸入)；

注：非低壓大電流產(chǎn)品(如12V5A)，KRP較大時(shí)，DMAX不能設(shè)計(jì)的過小，否則空載也會(huì)啟動(dòng)困難，且空載無跳頻(寬范圍AC輸入時(shí)尤其如此)；

超低壓輸入產(chǎn)品(如12V輸入)，KRP應(yīng)該較小，且開關(guān)頻率也不能過高，否則LP過小(漏感過大)無法正常工作(或者效率極低)。

KRP較大時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，環(huán)路補(bǔ)償比較容易(特別是采用電流模式控制)；

KRP較小時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，環(huán)路補(bǔ)償相對(duì)困難(特別是采用電壓模式控制)；

KRP較大時(shí)，電感電流斜率較急，CS采樣端對(duì)噪聲影響不明顯；

KRP較小時(shí)，電感電流斜率較緩，CS采樣端可能會(huì)受到噪聲影響；

注：電流模式芯片通常會(huì)比電壓模式控制芯片的性能更加優(yōu)異，但并非所有情況下都是如此。如果輸入電壓較高，輸出功率較小，電流模式芯片可能無法檢測CS電壓，低壓大電流輸出產(chǎn)品在空載時(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種情況(再次強(qiáng)調(diào)，寬范圍AC輸入，低壓大電流輸出〈甚至非大電流輸出產(chǎn)品〉，如果KRP較大，DMAX又較小，空載極有可能出問題，或許輕載降頻、提高VCC都不一定有效，但是采用某些電壓模式控制芯片，可能會(huì)避免此問題)。低壓輸入，輸出功率很大時(shí)，電感電流斜率較緩，CS采樣電壓(電阻/互感器)可能很容易受到干擾，如果負(fù)載變化較大，也可能會(huì)因此CS端采樣異常。也不是所有電流模式芯片均比電壓模式芯片優(yōu)秀，這需要綜合考慮各種因素，包括外圍電路的復(fù)雜程度。

超高壓輸入時(shí)，KRP應(yīng)該設(shè)置較大(最好是QR模式)，開關(guān)損耗會(huì)較低；

超低壓輸入時(shí)，KRP應(yīng)該設(shè)置較小(最好是深度CCM模式)，漏感會(huì)較低；

KRP選取法則

電感紋波電流如何設(shè)置，主要取決于輸入電壓范圍、輸入電壓幅度、輸出電壓幅度、輸出電流范圍、漏感百分比(氣隙)四個(gè)量。

1寬范圍輸入時(shí)，盡量選擇深度CCM模式；

注：在所有輸入電壓范圍內(nèi)，功率器件的電壓電流應(yīng)力會(huì)有一個(gè)較好的折中；

2輸入電壓非常低時(shí)(如12/24V)，請(qǐng)選擇深度CCM模式(KRP≤0.40)；

注：此時(shí)如何降低漏感擺在第一位，深度CCM模式下，自然會(huì)獲得最小的漏感量；

3輸入電壓非常高時(shí)(如400VDC)，請(qǐng)選擇DCM模式(或者QR模式)；

注：此時(shí)如何降低開關(guān)損耗擺在第一位，在QR模式下，自然會(huì)獲得最小開關(guān)損耗；

4輸出電壓非常高時(shí)，請(qǐng)選擇DCM模式(或者QR模式)；

注：此時(shí)如何降低開關(guān)損耗擺在第一位，在QR模式下，自然會(huì)獲得最小開關(guān)損耗；

5輸出電流非常大時(shí)，盡量選擇CCM模式，KRP值視輸入電壓范圍及幅值決定；

注：CCM模式下，峰值電流、紋波電流、有效電流都會(huì)相對(duì)較小，且盡量避免采用單個(gè)肖特基二極管去處理高有效值電流，也要想辦法去避免空載問題。

6小電流輸出，盡量采用DCM(QR)模式。

注：功率小，效率較高。

7如果要求最小漏感設(shè)計(jì)，盡量選擇CCM模式，KRP盡可能的小。

8采用較小磁芯輸出較大功率的前提條件是：較小DMAX、較高電感紋波電流(有效電流)，空載問題好解決

9KRP小于0.66時(shí)，電感電流峰值、有效值，不再跟隨KRP值的減小而明顯減小，但是Bdc及氣隙上升非常明顯；

KRP小于0.40時(shí)，電感電流紋波電流將會(huì)出現(xiàn)過小而導(dǎo)致CS采樣困難，且飽和的10電感電流上升不明顯；

10如果設(shè)置BCM模式下的LP=1，其他工作條件不變，則：

KRP=1.00，LP=1

KRP=0.66，LP=2

KRP=0.50，LP=3

KRP=0.40，LP=4

KRP=0.33，LP=5

我們可以研究不同KRP值下，磁芯的Bdc、Lg的變化趨勢，甚至可以更換不同的磁芯來滿足電氣參數(shù)設(shè)計(jì)(KRP、DMAX、LP均不會(huì)發(fā)生改變)。如此一來，KRP(電氣參數(shù))將會(huì)與磁芯參數(shù)形成緊密的聯(lián)系，方便量化分析。通過不同的電感紋波電流，來讓我們知道變換器到底需要什么樣的磁芯設(shè)計(jì)參數(shù)(包括磁芯選型)。而不是先來設(shè)計(jì)變壓器參數(shù)，然后自動(dòng)生成KRP等電氣參數(shù)。

簡單的理解，就是先設(shè)計(jì)好電氣參數(shù)，如初次級(jí)的電壓、電流應(yīng)力，評(píng)估各種損耗溫升，考慮到PWM芯片、MOS、二極管各種的特點(diǎn)(先選好)，讓反激變換器工作在最佳的工作狀態(tài)。根據(jù)這個(gè)最佳的電氣參數(shù)，我們來設(shè)計(jì)變壓器參數(shù)，如NP、NS、氣隙等等，最后通過更換磁芯或是微調(diào)變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，讓整個(gè)變換器都工作在最合理的狀態(tài)。如果開頭就進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致我們產(chǎn)品優(yōu)化的余地較小(不得不重新計(jì)算或是申請(qǐng)樣品)。

不過，不得不承認(rèn)，每一個(gè)人的學(xué)習(xí)經(jīng)歷往往很不同，屬于自己的最佳設(shè)計(jì)流程，應(yīng)該是自己最熟練、最能理解的哪一種。那是一種積累、一種磨練，千萬不要輕易去否定。這里提供的方法只是其中一種，諸多技巧中，如果覺得好就用，不好就不用。

KRP的別名：KRF、r，它們之間存在換算關(guān)系，建議參考相關(guān)資料；

如果設(shè)置BCM模式下的LP=1，其他工作條件不變，則：

(磁芯、匝數(shù)比不變，否則無法完成對(duì)此；NP的變化不會(huì)改變DMAX、電壓、電流應(yīng)力，NP主要是影響磁芯參數(shù)設(shè)計(jì))

釋疑：

1KRP從1.00下降至0.66時(shí)，峰值電流的下降非常明顯，當(dāng)KRP從0.66向0.33下降時(shí)，峰值電流的下降幅度非常有限；

2KRP從1.00下降至0.33時(shí)，紋波電流的下降一直非常明顯，與LP的變化趨勢剛好相反(I=V*TON/LP)；

3KRP從1.00下降至0.66時(shí)，有效電流的下降非常明顯，當(dāng)KRP從0.66向0.33下降時(shí)，有效電流的下降幅度非常有限；

4KRP從1.00下降至0.33時(shí)，BDC急劇增大，氣隙的大小與磁性元件的設(shè)計(jì)有關(guān)，由于對(duì)比中的NP會(huì)有所不同，所以氣隙、BDC、BAC的變化趨勢僅僅是起有限的參考作用；

關(guān)于BDC、BAC的變化趨勢(二者是由哪些量決定的)分析見《開關(guān)電源手冊》，其中有詳細(xì)描述：

①外加的伏秒值、匝數(shù)、磁芯面積決定了交變磁通量(BAC)； VTon(n)+Np+Ae→△B

②直流平均電流值、匝數(shù)、磁路長度決定了直流磁場強(qiáng)度(BDC)； Idc+Np+Le(lg)→Hdc

③加氣隙和不加氣隙，磁芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度是一樣的；但加氣隙的磁芯能顯著減小剩磁Br，另外，加氣隙可以承受大的多的直流電流；

5KRP從1.00下降至0.33時(shí)，由于BDC、LP急劇增大，所以NP也會(huì)較大，間接導(dǎo)致導(dǎo)致BAC較小。

6KRP從1.00下降至0.33時(shí)，LP的變化范圍非常有意思，注意是整數(shù)倍，這為我們評(píng)估變壓器的設(shè)計(jì)提供了極好的參考依據(jù)，我們可以一開始就設(shè)計(jì)在臨界模式，并且將臨界LP作為參考數(shù)值。需要明白，在保持匝數(shù)比(DMAX)不變的情況下，產(chǎn)品中的各種電壓應(yīng)力不會(huì)有任何改變(DMAX決定了電壓應(yīng)力，也不能夠大幅度改變，只適合微調(diào))。我們可以通過研究KRP(LP)變化時(shí)，各種電流應(yīng)力與磁芯參數(shù)的變化趨勢，最終找出最優(yōu)設(shè)計(jì)。

7采用此方法設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，建議采用V*TON，而不是I2*LP，因?yàn)镈MAX(決定TON)幾乎是固定量變化不大，而LP可以是變化量(由KRP決定)，變化量非常大，優(yōu)化分析時(shí)也比較簡單。

8需要認(rèn)真理解NP與LP不是線性關(guān)系，也要完全明白氣隙的計(jì)算公式；

9進(jìn)行KRP及變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，需要緊密聯(lián)系各種參數(shù)(電壓、電流應(yīng)力，磁性參數(shù))，然后進(jìn)行系統(tǒng)分析。這是我極力推薦大家采用軟件的主要原因，手工計(jì)算極易出錯(cuò)、慢、且無法對(duì)全局進(jìn)行優(yōu)化分析。

10關(guān)于KRP的相關(guān)介紹，可以參考PI的相關(guān)設(shè)計(jì)資料；關(guān)于KRF的相關(guān)介紹，可以參考飛兆的相關(guān)設(shè)計(jì)資料；關(guān)于r的相關(guān)介紹，可以參考《精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)》；關(guān)于KRP，其他公司也有各種不同的描述，但他們要表達(dá)的意思其實(shí)都差不多。

控制模式：電壓型、電流型、ON/OFF開關(guān)控制(RCC) 電壓型控制典型芯片：SG3524/3525、TOP22X/23X/24X等等

電流型控制典型芯片：TL494、UC3842/3/4/5、NCP1200、NCP1337等等 ON/OFF開關(guān)控制典型芯片：TNY系列，RCC變換器，安森美有個(gè)系列好像也是的 聲明：后續(xù)可能還會(huì)直接引用一些PI的資料，特別是設(shè)計(jì)流程、軟件操作、芯片資料、包括部分設(shè)計(jì)思路等等，并不代表PI的設(shè)計(jì)理念比其他公司更優(yōu)秀，僅僅是我更熟悉些而已，而且這些資料都有中文版本，內(nèi)容詳實(shí)，方便初學(xué)者追根溯源。

PI的變壓器設(shè)計(jì)軟件其實(shí)是非常不錯(cuò)的入門工具，熟練了也可以把它用來設(shè)計(jì)其它類型的芯片。現(xiàn)在又可以用來設(shè)計(jì)PFC、正激、LLC等拓?fù)洌珡?qiáng)大了，建議初學(xué)者多花點(diǎn)時(shí)間學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)。

小結(jié)

以上就是反激變壓器的工作狀態(tài)和KRP的定性分析，當(dāng)然如果詳細(xì)分析起來還有更多的內(nèi)容，如PFC、正激類的輸出電感等，這些內(nèi)容都可用KRP來描述，總體來說沒有那么高深莫測，只是作為不同的應(yīng)用時(shí)，側(cè)重點(diǎn)也有所不同，只要勤于鉆研和實(shí)踐，這對(duì)大家來說將不是什么難題。