開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)

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1、開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì) 1. 前言 2. 變壓器設(shè)計(jì)原則 3. 系統(tǒng)輸入規(guī)格 4. 變壓器設(shè)計(jì)步驟 4.1選擇開關(guān)管和輸出整流二極管 4.2計(jì)算變壓器匝比 4.3確定最低輸入電壓和最大占空比 4.4反激變換器的工作過程分析 4.5計(jì)算初級(jí)臨界電流均值和峰值 4.6計(jì)算變壓器初級(jí)電感量 4.7選擇變壓器磁芯 4.8計(jì)算變壓器初級(jí)匝數(shù)、次級(jí)匝數(shù)和氣隙長度 4.9滿載時(shí)峰值電流 4.10 最大工作磁芯密度Bmax 4.11 計(jì)算變壓器初級(jí)電流、副邊電流的有效值 4.12 計(jì)算原邊繞組、副邊繞組的線徑，估算窗口占有率 4.13 計(jì)算繞組的銅損 4.14 變壓器繞線結(jié)構(gòu)及

2、工藝 5. 實(shí)例設(shè)計(jì)—12W Flyback變壓器設(shè)計(jì) 1. 前言 ◆ 反激變換器優(yōu)點(diǎn)： 電路結(jié)構(gòu)簡單 成本低廉 容易得到多路輸出 應(yīng)用廣泛，比較適合100W以下的小功率電源 ◆ 設(shè)計(jì)難點(diǎn) 變壓器的工作模式隨著輸入電壓及負(fù)載的變化而變化 低輸入電壓，滿載條件下變壓器工作在連續(xù)電流模式 ( CCM ) 高輸入電壓，輕載條件下變壓器工作在非連續(xù)電流模式 ( DCM ) 2. 變壓器設(shè)計(jì)原則 ◆ 溫升 安規(guī)對(duì)變壓器溫升有嚴(yán)格的規(guī)定。Class A的絕對(duì)溫度不超過90C； Class B不能超過110C。因此，溫升在規(guī)定范圍內(nèi)，是我們設(shè)計(jì)變壓器必須遵循的準(zhǔn)則。

3、 ◆ 成本 開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，成本是主要的考慮因素，而變壓器又是電源系統(tǒng)的重要組成部分，因此如何將變壓器的價(jià)格，體積和品質(zhì)最優(yōu)化，是開關(guān)電源設(shè)計(jì)者努力的方向。 3. 系統(tǒng)輸入規(guī)格 輸入電壓：Vacmin~ Vacmax 輸入頻率：fL 輸出電壓：Vo 輸出電流：Io 工作頻率：fS 輸出功率：Po 預(yù)估效率：η 最大溫升：40℃ 4.0變壓器設(shè)計(jì)步驟 4.1選擇開關(guān)管和輸出整流二極管 開關(guān)管MOSFET:耐壓值為Vmos 輸出二極管:肖特基二極管 最大反向電壓VD 正向?qū)▔航禐閂F 4.2計(jì)算變壓器匝比 考慮開關(guān)器件電壓應(yīng)力的余量(Typ.

4、=20%) 開關(guān)ON ： 0.8VD > Vin max / N + Vo 開關(guān) OFF ： 0.8VMOS > N( Vo+ VF) + Vin max 匝比 ： Nmin < N < Nmax 4.3 確定最低輸入電壓和最大占空比 輸入濾波電容：2F~3F/W 最低輸入電壓 ( 假設(shè)tc=3ms ) Vin min = (2Vac min)2-2 Pin ( T2 - tc )Cin 最低輸入電壓，最大功率時(shí)，占空比最大Dmax Dmax = N ? ( Vo+ VF )N ? Vo+ VF + V

5、in min 4.4 反激變換器的工作過程分析 低輸入電壓時(shí)，負(fù)載從輕載到重載，變壓器經(jīng)歷從DCM →BCM →CCM的過程 高輸入電壓時(shí)，負(fù)載從輕載到重載，變壓器一直工作在DCM 4.5 計(jì)算初級(jí)臨界電流均值和峰值 按照最小輸入電壓，最大輸出功率(Pomax)的條件計(jì)算 Po = 1/3Po max時(shí)，變換器工作在BCM Po < 1/3Po max時(shí)，變換器工作在DCM Po > 1/3Po max時(shí)，變換器工作在CCM BCM模式下，最小輸入電壓時(shí)的平均輸入電流 Iin-avg = 13 ? PinVin min 變壓器初級(jí)臨界電流峰值

6、 ?Ip1 = Ipk1 = 2 Iin-avgDmax 4.6 計(jì)算變壓器初級(jí)電感量 最低輸入電壓，BCM條件下，最大通時(shí)間 Ton max = 1fs Dmax 變壓器初級(jí)電感量 Lp = Vin min Ton max?Ip1 4.7 選擇變壓器磁芯 基于輸出功率和開關(guān)頻率計(jì)算面積乘積，根據(jù)面積乘積來選擇磁芯 APp = Po 1062 η Ko Kc fs Bm j Ko是窗口的銅填充系數(shù)：取 Ko=0.4 Kc是磁芯填充系數(shù)；對(duì)于鐵氧體磁芯取 Kc=1 Bm是變壓器工作磁通密度，取 Bm≤12 Bs

7、at j是電流密度，取 j = 4.2A/mm2 考慮繞線空間，盡量選擇窗口面積大的磁芯，查表選擇Aw和Ae 4.8 計(jì)算變壓器初級(jí)、次級(jí)匝數(shù)、輔助繞組匝數(shù)和氣隙長度 初級(jí)繞組的匝數(shù) Np = Vin min ton maxAe Bm108 增加或者減小匝數(shù)只會(huì)分別引起磁芯損耗減小或增加 在100kHz條件下，損耗與B2.86成正比，匝數(shù)減小5%會(huì)使磁芯損耗增加15% 次級(jí)繞組匝數(shù) Ns = Np / N 輔助繞組匝數(shù) Ncc = ( Vcc + 1 ) Ns / ( Vo+ VF ) 氣隙長度 : lg = 0.4 π Ae N

8、2Lp 4.9 滿載時(shí)峰值電流 CCM時(shí)，Ton max固定不變 輸入電壓不變，BCM的Ton max等于CCM的Ton max Ton max內(nèi)，電感電流線形上升增量 ?Ip1 = Vin min Ton maxLp = ?Ip2 低輸入電壓，滿載條件下 Po = 12 η Lp (I2pk2 – I2pk0 ) fs 變壓器初級(jí)峰值電流 Ipk2 = Po / ηVin min Dmax+ ?IP22 4.10 最大工作磁芯密度Bmax Bmax = Lp Ipk2Ae Np108 < Bsat 如果Bmax

9、t，則證明所選擇的磁芯通過，否則應(yīng)重新選擇 4.11 計(jì)算變壓器初級(jí)電流、副邊電流的有效值 梯形波電流的中值 ：Ia = Ipk - ?I2 電流直流分量 ：Idc = Dmax Ia 電流有效值 ： Iprms = IaDmax 電流交流分量 ：Iac = IaDmax(1-Dmax) 4.12 計(jì)算原邊繞組、副邊繞組的線徑，估算窗口占有率 導(dǎo)線的橫截面積 自然冷卻時(shí)，一般取電流密度 j = 4A / mm2 初級(jí)繞組：Sp = Iprms ( A ) / 4 ( A / mm2 ) 副邊繞組：Ss = Isrms ( A ) / 4

10、( A / mm2 ) 線徑及根數(shù) 集膚深度 δ= 6.61 / fs cm 導(dǎo)線線徑不超過集膚深度的2倍，若超過集膚深度，則需多股并繞 根據(jù)安規(guī)要求考慮加一定寬度的擋墻 窗口占有率 K0Aw ≥ Np πRp2 + Ns πRs2 + Ncc πRcc2 4.13計(jì)算繞組的銅損 根據(jù)導(dǎo)線的電阻和集膚深度，確定每個(gè)繞組的銅損耗 總損耗一定要小于預(yù)算損耗，溫升經(jīng)驗(yàn)公式 ?T ≈ 800 Ploss34 AeAw 4.14變壓器繞線結(jié)構(gòu)及工藝 骨架的選取 ：累計(jì)高度、寬度 繞法 ： 初級(jí)和次級(jí)交錯(cuò)式(三明治)繞法：漏感小 5.

11、 設(shè)計(jì)實(shí)例—12W開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì) 5.1 系統(tǒng)輸入規(guī)格 輸入電壓：90Vac~265Vac 輸入頻率：50Hz 輸出電壓：12V 輸出電流：1.0A 輸出功率：Po=12W 開關(guān)頻率：50kHz 預(yù)估效率：0.75 輸入最大功率：Pin=16W 變壓器最大溫升：40℃ 5.2 開關(guān)管MOSFET和輸出整流二極管 開關(guān)管MOSFET耐壓: Vmos=600V 輸出二極管：反向壓降VD=100V ( 正向?qū)▔航礦F=0.5V ) 5.3計(jì)算變壓器匝比 0.8 ? VD > Vin max / N + Vo 0.8 100 > 375 / N +1

12、2 0.8 ? Vmos > N ? ( Vo + VF ) + Vin max 0.8 600 > N ( 12 + 0.5 ) +375 5.5 < N < 8.4 取 N = 6 5.4 最低輸入電壓和最大占空比 選擇Cin=22F 最低輸入電壓： Vin min = (2Vac min)2- 2 Pin ( T2 - tc)Cin = 1272- 2 16 7 10-322 10-6 ≈77V 最大占空比 ： Dmax = N ? (Vo+ VF )N ? Vo+ VF + Vin min = 6 12.56 12.5+77

13、= 0.49 5.5 計(jì)算初級(jí)臨界電流均值和峰值 Iin-avg = 13 ? PinVin min = 163 77 = 0.07 A ?Ip1 = Ipk1 = 2 Iin-avgDmax = 2 0.070.49 = 0.285 A 5.6最大導(dǎo)通時(shí)間和初級(jí)電感量 最大導(dǎo)通時(shí)間 ： Ton max = 1fs Dmax = 9.8 μs 變壓器初級(jí)電感量 ： Lp = Vin minTon max?Ip1 = 77 9.8 10-60.285 ≈ 2.7mH 5.7 變壓器磁芯面積 APp = 12 1062 0.75 0.42 50 103

14、 1600 4 = 0.066 cm2 ( 鐵氧體磁芯 Bsat = 3900G , 取 Bm = 1600G ) 查表 EF20 Ae = 0.335 cm2，Aw = 0.6048 cm2 AP = Aw * Ae = 0.202 cm2 > 0.066 cm2 5.8 變壓器初級(jí)匝數(shù)、次級(jí)匝數(shù)、輔助繞組匝數(shù)和氣隙長度 Np = 77 9.8 10-60.335 1600108 = 140.7 取 Np = 140 Ts Ns = 140 / 6 = 23.3 Ts 取 Ns = 23 Ts Ncc = 19 23 / 12

15、.5 ≈ 35 Ts lg = 0.4π 33.5 14022.6 = 0.2 mm 5.9 滿載時(shí)峰值電流、最大工作磁通密度 Ipk2 = Po / ηVinminDmax + ?Ip2 = 1677 0.49 + 0.14 = 0.56 A Bmax = Lp Ipk2Ae Np = 2.610-3 0.560.335 140108 = 3100G < 3900G 5.10 變壓器初級(jí)電流、副邊電流的有效值 原邊各電流： 電流中值 Ipa = 0.42A 電流有效值 Iprms = 0.29A 電流直流值 Ipdc = 0

16、.20A 電流交流值 Ipac = 0.208A 副邊各電流： 電流直流值 Isdc = 1A 電流有效值 Isrms = 1.38A 電流中值 Isa = 1.92A 電流交流值 Iac = 0.959A 5.11 計(jì)算原邊、副邊繞組的線徑，估算窗口占有率 線徑及根數(shù) 集膚深度 δ= 6.61 / fs = 6.61 / 50 103 = 0.29 cm 導(dǎo)線的橫截面積： 電流密度 j = 4.2~5A / mm2 初級(jí)繞組：Sp=0.068mm2→Φ0.25mm 1P→RDC = 4.523mΩ/cm

17、( 100℃ ) 副邊繞組：Ss = 0.328mm2→Φ0.40mm2P→RDC = 0.892mΩ/cm ( 100℃ ) Vcc繞組：Scc = 0.1/4.2 = 0.024mm2 →Φ0.1mm2P 窗口占有率：0.4 60.48 ≥ 140 π 0.1252 + 23 π 0.22 + 35 π 0.082 24.2 ≥ 13.6 OK 5.12 計(jì)算繞組的銅損 平均匝長 lav = 23.5 mm 各繞組繞線長度： 原邊 lNp = 140 23.5 = 329 cm 副邊 lNs = 23 23.5 = 54.0 cm

18、各繞組直、交流電阻： 原邊Rpdc=1.45Ω Rpac=2.38Ω 副邊Rsdc=0.024Ω Rsac=0.038Ω Vcc繞組電流過小，忽略繞組損耗 各繞組損耗： Pu = 0.30W Pp= Iprms 2 Rpdc+ Ipac2 Rpac=0.22WPs= Isrms 2 Rsdc+ Isac2 Rsac=0.08W 5.13 計(jì)算繞組的鐵損 計(jì)算鐵損：查磁芯損耗曲線，PC40在 ΔB = 0.15T時(shí)為80mW / cm3 鐵損 PFe = 80 1.5 = 0.12 W 估算溫升 總損耗 Ploss = 0.12 +

19、0.30 = 0.42 W 經(jīng)驗(yàn)公式 ?T ≈ 800 0.4234 33.5 60.48 = 22℃ < 40℃ 設(shè)計(jì) OK 5.14 變壓器繞線結(jié)構(gòu)及工藝 繞線寬度高度累計(jì) 查EF20 Bobbin 繞線寬度W=12.1mm，高度H=2.9mm 0.25mm，最大外徑0.275mm 每層35T，W1=9.62mm 0.40mm，最大外徑0.52mm 每層23T，W2=11.9mm 0.10mm，最大外徑0.13mm 每層35T，W3=9.1mm(0.1mm2P) 總高度 = 0.2754 + 0.52 2 + 0.13 3 + 0.03 7 = 2.74 mm 繞線結(jié)構(gòu)次級(jí)→初級(jí)→次級(jí)