返馳式變壓器設計 (Flyback Transformer Design)

一、 架構概述

Flyback 是一個由 Buck-boost 演變而來的架構。

透過將單一繞組電感器分成兩個繞組的電感器後，再將接二極體迴路的極性做反向，用以獲得正電壓輸出，加上 1:n 的圈數比變化，使得轉換器更易於最佳化。

圖1 為隔離反馳式轉換器 (The isolated Flyback converter)：

當開關 Q1 導通時，將 V_in 能量儲存於 L_M（激磁電感中; magnetizing inductance）。當開關 Q1 關斷時，二極體 D1 順向導通，這儲存於激磁電感的能量會被轉移到負載側，而這轉移的電壓及電流大小會根據 1:n 圈比而不同。

二、 參數考慮

以前面提到的基本概念，會引導出轉換器設計的幾個重要參數：

1. 系統參數

• V_in： 系統的輸入電壓，同時需考慮最低（V_in,min）與最高（V_in,max）輸入電壓。
• V_o： 輸出負載電壓。
• P_o： 輸出負載功率。
• η： 系統預估轉換效率。

2. 變壓器及控制參數

• L_P： 變壓器初級電感 (mH / μH)，即等效線路圖中的 L_M。
• I_P： 變壓器原邊峰值電流 (A)。
• n： 變壓器匝數比 (N_P / N_S)；工作週期 (Duty cycle, D) 隨著輸入電壓的改變而不同。
• D_max： 最大導通占空比，發生在最低輸入電壓 V_in,min 與最大負載下。
  D_max = n × (V_o + V_D) / [V_in,min + n × (V_o + V_D)]
• f_s： 轉換器開關頻率 (kHz)。開關頻率越高，可減小轉換器體積，但隨之而來的是開關損耗增加與 EMI 問題。離線式 Flyback 頻率多在幾十 kHz 至 100 kHz 左右。

3. 開關器件參數

• 二極體耐壓及電流規格： 當 MOSFET (Q1) 導通時，由於 N_P 與 N_S 極性相反，二極體 D1 反向偏壓而截止。反向耐壓需求 V_R：
  V_R = -(-V_O - V_in,max × (N_S / N_P))
• MOSFET 開關耐壓及電流規格： 當開關關斷時，變壓器原邊繞組將產生反向電勢，MOSFET 在 OFF 時會承受此反向電動勢加上 V_in 的總和。定義反射電壓為 V_OR (Reflected output voltage)：
  V_OR = n × (V_o + V_D)

三、 工作方式

反激式變換器一般工作於兩種模式：

1. 不連續電流導通模式 (DCM - Discontinuous Conduction Mode)： 每個切換週期結束前，電感能量已完全釋放至負載。
2. 連續電流導通模式 (CCM - Continuous Conduction Mode)： 儲存在變壓器中的部分能量在 t_off 末保留至下一個 t_on 週期的開始。

四、 實務設計範例

設計目標：60Watts ADAPTER POWER MAIN X'FMR

• INPUT : 120 ~ 380 V_dc
• OUTPUT : DC 19V, 0 ~ 3.16A
• f_s = 70 kHz ; C_in = 120 μF ; η ≧ 0.90
• 選用 650V MOSFET 主開關及 100V Schottky Diode 為例

步驟 1：零件耐壓評估與匝數比決定

以 90% MOSFET 耐壓 Derating 需求為例：

當高壓側開關導通時，二極體 D1 反向偏壓：

當高壓側開關關斷時：

透由變壓器設計降低漏感以降低 Spike 產生，同時加入 Snubber 線路來吸收漏感能量：

步驟 2：計算最大 Duty (D_max)

步驟 3：決定高壓側電流與感量 L_P

定義 K_RP 為原邊漣波電流與峰值電流之比率（K_RP < 1 為 CCM，K_RP = 1 為 DCM）：

本例選用 K_RP = 1 (DCM 模式) 計算：

步驟 4：變壓器圈數與磁通密度計算

選用磁芯 RM10 (A_e = 0.98 cm²)，設計 B_max 建議控制在 3000 Gauss 以內：

考量圈數為整數且圈比 n = 5.35，取 N_S = 5 圈，N_P = 27 圈（實際圈比 n = 27 / 5 = 5.4）。

校核實際最大磁通密度：

以上為簡易版 Flyback 變壓器設計計算，準確的實務設計還需考量元件容差、溫升與變壓器構造繞法。