摘要
本文闡述隔離式降壓轉換器的工作原理，以及應如何選擇變壓器，這是設計隔離式降壓轉換器的關鍵。本文探討在選擇變壓器時應考慮哪些參數、應採用哪些數學公式進行運算，以及這些參數會如何影響整個電路。
隔離式降壓轉換器的工作原理
隔離式降壓拓撲與通用降壓轉換器拓撲相似，如圖1所示。使用變壓器替換降壓電路中的電感器，就可以得到隔離式降壓轉換器。變壓器的二次側可以獨立接地。
圖1. 隔離式降壓拓撲。
在導通期間，高側開關管(QHS)接通，低側開關管(QLS)斷開。變壓器的磁化電感(LPRI)此時被充電。電流方向如圖2中的箭頭所示。一次側電流隨時間線性增加。電流的斜率取決於(VIN – VPRI)和LPRI。在此時段內，二次側二極體D1反向偏置，電流從輸出電容(COUT)傳輸至負載。
圖2. 導通時段等效電路。
在關斷期間，QHS斷開，QLS接通。一次側電感放電。一次側電流從QLS流向地，D1正向偏置，二次側電流從二次側線圈流向COUT和負載。在此時段，輸出電容（COUT）被充電。（斷開QHS和接通QLS不會改變電流方向；只會改變電流坡度。在正電流降至0 A之後，反向電流開始增大。）
圖3. 關斷時段等效電路。
哪些規格參數將影響變壓器選擇？
在設計轉換器時，應明確指定一些規格參數。其將決定電路選用哪些元件尤其是選用那個變壓器。
• 輸入電壓範圍
• 輸出電壓
• 最大工作週期
• 開關頻率
• 輸出電壓漣波
• 輸出電流
• 輸出功率
最大工作週期(D)通常介於0.4至0.6之間。最小輸入電壓(VIN_MIN)和最大工作週期將決定一次側輸出電壓(VPRI)。一次側輸出電壓(VPRI)和二次側輸出電壓(VOUT)將決定變壓器的匝數比。
輸出電流(IOUT)和輸出功率(POUT)是影響變壓器選擇的重要參數。輸出電流決定銅線的粗細，輸出功率決定應使用哪個變壓器線軸。線軸的磁導率決定其能儲存多少電能，能輸出多少功率。一般來說，DC輸出電流乘以一個係數，就能得出電感（變壓器）的漣波電流。工作週期和開關頻率可以用來計算TON時間，VIN、VPRI和漣波電流可以確定一次側電感。分配的係數不能太大或太小，較大的係數會導致高漣波電流。高漣波電流可能達到半H橋限流值的，這會損壞MOSFET。由於存在ESR和ESL，輸出電容將會承受大漣波電壓。與之相反，當需要極小的漣波電流時，應使用電感值很高的電感器（變壓器）。如果線圈匝數很多，則需要使用笨重的線軸。大電感會限制迴路頻寬，降低動態回應係數。
選擇變壓器
電能僅在TOFF時間內傳輸至二次側線圈。匝數比可以透過公式1計算：
其中，VD表示二次側二極體正向偏置電壓。VPRI的最大工作週期一般介於0.4至0.6之間。VPRI可以採用公式2計算：
其中，D為最大工作週期，VIN_MIN為最小輸入電壓。使用公式2可計算出匝數比。在非隔離降壓轉換器中，線圈兩側的漣波電流相同。利用公式3可輕鬆計算出所需的線圈。
其中f為開關頻率，ΔI為漣波電流。如前所述，我們設定漣波電流 = DC輸出電流 x 係數。
其中K為係數。但是，隔離式降壓轉換器拓撲中只有變壓器，沒有電感。如果其中的元件是變壓器而非電感時，該怎麼辦？我們知道，電流比等於匝數比的倒數：
IPRITOFF是關斷期間二次側電流，其在關斷期間會激發一次側產生電流。應增加變壓器雙線圈電流，將其作為等效電感電流。
其中，ILeq表示等效電感電流。如果變壓器還有三個繞組，那麼
是這樣嗎？我們來看看基於 MAX17682 得出的模擬結果。圖4顯示MAX17682電路，採用 EE-Sim® OASIS繪製，由SIMetrix/SIMPLIS提供 。變壓器兩側裝有電流感測探頭，分別為IPRI和ISEC1。
圖4. MAX17682典型電路，採用EE-Sim OASIS繪製，由SIMetrix/SIMPLIS供電。
圖5顯示兩個探頭的瞬態模擬結果。這兩個電流波形是根據公式6得出並增加的。
圖5. MAX17682典型電路的模擬電流波形。
增加的電流結果（紅色）為三角波，其表現就像是非隔離降壓轉換器中的電感。因此，可以使用以下公式輕鬆計算出變壓器的一次側ΔI：
通常，採用0.2倍DC輸出電流作為負載漣波電流。所以，K等於0.2乘NSEC/NPRI。同時，一次側峰值電流應低於開關限流值，其中IPK的計算公式如下：
變壓器的一次側電感可以使用以下公式計算得出：
根據匝數比、一次側電感、輸出功率、輸出電流和隔離電壓，可以決定應使用哪個電感。
為何簡化公式是有效的
以下介紹如何能更理解和使用MAX17682產品手冊中所示的公式（參見圖6）。
圖6. MAX17682產品手冊的螢幕截圖。
如前所述，可以將公式10改寫為公式11，以得出關斷期間的等效公式。
假設D為0.6，只有當ΔI為0.4 A，多項式(1 – D)和ΔI才會抵消。公式11和圖6所示的公式相同。產品手冊中的公式已選擇一次側漣波電流。如果指定D為0.6，那麼一次側漣波電流為0.4 A。在數量上，TOFF工作週期等於一次側漣波電流。
結論
根據圖6所示的簡化公式，指定一次側漣波電流等於TOFF工作週期時可以更快完成設計。如果想更改一次側漣波電流或使用其他參數，建議可以按照本教程說明進行操作。
