開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)與材料選擇

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1、+變壓器的結(jié)構(gòu)和組成+變壓器的設(shè)計(jì) inV outVinI outImLk原 邊 繞 組 副 邊 繞 組導(dǎo) 磁 回 路 (磁 心 )勵 磁 磁 通漏 磁 磁 通一 次 側(cè) 二 次 側(cè)1.改 變 電 壓2.隔 離 電 路 法 拉 第 定 律 :交 變 磁 場 中 的 電 動 勢 : )( NdtdE變 化 磁 場變 化 磁 場在 閉 合 回路 中 產(chǎn) 生的 感 生 電勢E空 間 回 路法 拉 第 定 律 inV outVinI outImLk變 壓 器跟 據(jù) 法 拉 第 定 律 : )( Lkmin NpdtdV )( mout NsdtdV NpNsnVVinout Lkm 楞 次 定 律 -

2、變 壓 器 的 電 流 關(guān) 系描 述 :閉 合 回 路 中 感 應(yīng) 電 流 的方 向 ， 總 是 使 得 它 所 激 發(fā) 的磁 場 來 ”阻 礙 ”引 起 感 應(yīng) 電 流的 磁 通 量 的 變 化變 化 磁 場變 化 磁 場 在 閉 合回 路 中 產(chǎn) 生 的 感生 電 流感 生 電 流 所 產(chǎn) 生的 磁 場實(shí) 際 通 過 閉 合 回 路的 磁 場i導(dǎo) 體楞 次 定 律 u磁 通 不 能 突 變 inV outVinI outImLk應(yīng) 用 :通 常 變 壓 器 的 電 流 決定 于 負(fù) 載 outoutout VPI / lISNs outcores / sp 跟 據(jù) 楞 次 定 律 , lI

3、SNlISN outcoresincorep / inoutsp IInNN 可用作變壓器的磁性材料 錳 鋅 鐵 氧 體 (Mn-Zn Ferrite): 鎳 鋅 鐵 氧 體 (Ni-Zn Ferrite):功 率 鐵 氧 體非 晶 ， 超 微 晶 ， 納 米 晶 :硅 鋼 片 工 頻 變 壓 器 高 頻 開 關(guān) 電 源 變 壓 器（ 40KHz-2MHz)高 頻 開 關(guān) 電 源 變 壓 器（ 2MHz)中 低 頻 開 關(guān) 電 源 變 壓 器（ 40KHz) 選 擇 磁 性 材 料 的 關(guān) 鍵 點(diǎn) ： ： 磁 心 的 飽 和 磁 密 ： 磁 心 的 損 耗 (儲 能 與 放 能 之 差 )B

4、HHdcHdc=0 Hdc 一 三 相 限 :Full bridge一 相 限 :forwardDC Bias:flyback BacBacBacBm 磁 損 曲 線BH曲 線 Tysxacmcv CfBCP 單 位 體 積 磁 損 公 式 ：材 料 的 損 耗 指 標(biāo) :固 定 Pcv時(shí) 的 FxB公 式xxyTm cv fCC PBF /1)(* )( BfIANP pepthr Pcv=100 kw/m3Pcv=300 kw/m3Pcv=500 kw/m3Ferroxcube3C96 3F35 T=100100004000050000 200 2000f(kHz)f*B (HzT)0 3

5、F4f .B: Material performance factorPcv=100 kw/m3 Pcv=300 kw/m3Pcv=500 kw/m3 N49N97 0 1000500050000f*B(HzT) f(kHz)EPCOS22000HzT32000HzT 23000HzT35000HzTf .B: 表 現(xiàn) 一 個 材 料 在 一 個 頻 率 下 所 能 通 過 的 B的 能 力A.頻 率 提 高 , 磁 能 材 料 能 夠 通 過 功 率 的 能 力 提 高B.頻 率 提 高 到 一 定 程 度 ,會 有 一 個 更 好 的 高 頻 材 料 來 接 替 一 般 情 況 下fs30

6、0KHz, Bmax取 決 磁 損假 設(shè) 頻 率 fs=400KHz, 取 單 位 磁 損 為 300mw/cc,材 質(zhì) N49, Bmax=32000HzT/400KHz=80mTfs在 150K至 300K之 間 時(shí) , Bs和 Pcv都 考 慮 ,取 其 小 值 .假 設(shè) 頻 率 fs=200KHz, 材 料 3C96,Pcv300mw/ccB1=0.5*80%*Bs=136mT;B2=28000HzT/200KHz=140mT, 取 B1和 B2中 的 小 值 作 為 Bmax=136mT磁 心 的 Bmax的 選 擇 方 法 常 規(guī) 的 低 頻 材料 飛 磁 的 常 規(guī) ,高 飽 ,

7、低 溫 和 高 溫 低 頻 材 料低 溫高 溫高 飽 常 規(guī) 3C96常 規(guī) 的 高 頻 材料 TDK低 頻 寬 溫 材 料PC95對 比 常 用 鐵 心 形 狀 AEEEFD ER,EC,ETDPQRM 形 狀分 類 特 點(diǎn) 適 用 情 況EE,ER,EC,ETD 常 規(guī) 鐵 心 ,價(jià)格 低 廉 ,窗 口面 積 大 ,大 功率 時(shí) 易 作 安規(guī) . 小 功 率 的 輔 助 電源 ， 大 功 率 電 源 ，應(yīng) 用 于 功 率 密 度較 低 的 場 合 EFD 平 面 化 的 EE類 鐵 心 應(yīng) 用 情 況 同 上 ，應(yīng) 用 于 功 率 密 度較 低 ， 且 要 求Low Profile， 表貼

8、 或 沉 降 式 結(jié) 構(gòu)PQ,RM 窗 口 面 積 較 類 的 小 ，而 Ae較 類 的 大 ， 應(yīng) 用 于 高 功 率 密度 的 條 件 也 適 于 作 輸 出 電感 或 電 感窗 口 開 口 較 小 ，不 適 合 作 很 多 路輸 出 變 壓 器 常 用 鐵 心 形 狀 B EQPJ Planar EE 形 狀 分 類 特 點(diǎn) 適 用 情 況PJ Core的 改 進(jìn) 版 ， Ae大 窗口 小 ， 磁 屏 蔽 效 果 好 ； 高 度 較 矮 用 于 高 功 率 密 度 且 對 高 度 有 一 定 要 求 的 變 壓器 設(shè) 計(jì) ； 不 適 合 飛 線 ， 不 適 合 使 用 Margin ta

9、pe做 安 規(guī)EQ ， 的 改 進(jìn) 版 ， 窗 口 條 件比 PJ好 ， 高 度 和 Ae比 好 ；磁 屏 蔽 效 果 不 如 PJPlanar EE 低 高 度 ， Ae大 ， 窗 口 小 ； 中 柱 長寬 比 大 ， 不 適 于 繞 線 應(yīng) 用 于 繞 組 等 預(yù) 制 好 的 繞 組 的 變 壓 器和 電 感 器 磁 性 材 料 的 選 擇依 據(jù)1.工 作 頻 率 范 圍2.飽 和 磁 密 大 小磁 心 形 狀 的 選 擇 依 據(jù)1.功 率 密 度 的 要 求2.成 品 高 度 的 限 制3.繞 組 的 多 少4.線 包 的 引 出 線 形 式 Simple Sandwich Interl

10、eaving 漏 感 減 小交 流 損 耗 減 小隔 離 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 名 稱 :漆 包 線 ,電 磁 線結(jié) 構(gòu) :圓 銅 線 外 覆 絕 緣 漆規(guī) 格 :0.04mm-1.0mm名 稱 :三 層 絕 緣 線結(jié) 構(gòu) :圓 銅 線 外 覆 三 層 絕 緣 膜 ,耐 壓 0.05mm 常 用 作 繞 組 導(dǎo) 線 名 稱 :多 股 絞 線 ， Litz線 ， 李 茲 線結(jié) 構(gòu) :多 根 同 規(guī) 格 的 漆 包 線 制 的 絞 線規(guī) 格 :0.1xN,0.12xN,0.2xN等 名 稱 :鍍 錫 線 ， 鍍 錫 銅 線結(jié) 構(gòu) :圓 銅 線 外 鍍 錫規(guī) 格 :0.2-1.0,常 用 作 引 腳 ,跳

11、 線 ,需 要 加絕 緣名 稱 :沖 壓 銅 片 (常 鍍 錫 )結(jié) 構(gòu) :生 銅 片 直 接 沖 壓 切 割 成 片 狀 繞 組 的 形 狀規(guī) 格 :厚 0.5-1.0, 需 加 絕 緣名 稱 :扁 平 線結(jié) 構(gòu) :扁 平 的 漆 包 線 規(guī) 格 :跟 據(jù) 規(guī) 格 和 廠 商 生 產(chǎn) 能 力 ;寬 :厚 10 集 膚 效 應(yīng) (Skin effect):鄰 近 效 應(yīng)(Proximity effect):主 電 流 主 電 流 在 導(dǎo) 體 外 產(chǎn) 生 的 磁 場在 導(dǎo) 體 內(nèi) 回 路 包 圍的 電 流 在 導(dǎo) 體 中 產(chǎn)生 的 磁 場 在 導(dǎo) 體 自 身 電 流 產(chǎn)生 的 磁 場 所 產(chǎn) 生

12、 的渦 流 ,方 向 上 ,靠 近導(dǎo) 體 表 面 的 電 流 與主 電 流 同 向 ,而 靠 近中 心 的 電 流 與 主 電流 反 向?qū)?體 內(nèi) 通 過 交 流 電流 ,主 電 流 與 自 身 電流 所 產(chǎn) 生 的 渦 流 疊加 ,使 導(dǎo) 體 截 面 上 電流 分 布 呈 現(xiàn) 表 面 電流 密 度 大 ,內(nèi) 部 電 流密 度 小 的 現(xiàn) 像 . J x導(dǎo) 體 內(nèi) 通 過 交 流 電流 ,主 電 流 與 外 部 磁場 所 產(chǎn) 生 的 渦 流 疊 加 ,使 導(dǎo) 體 截 面 上 電流 分 布 呈 現(xiàn) 左 右 電流 密 度 分 布 不 均 的現(xiàn) 像 . 主 電 流 主 電 流 在 導(dǎo) 體 外 產(chǎn) 生

13、 的 磁 場在 導(dǎo) 體 內(nèi) 回 路 包 圍的 電 流 在 導(dǎo) 體 中 產(chǎn)生 的 磁 場 集 膚 電流J x 外 部 交 流 磁 場 外 部 磁場 產(chǎn) 生的 渦 流 Ansoft Maxwell 2D &3D 通 過 維 和 維 分 析 ， 推 算 變 壓 器 的 損 耗 和 漏 感優(yōu) 點(diǎn) ： 較 準(zhǔn) 確缺 點(diǎn) ： 對 硬 件 要 求 高 ； 模 型 要 盡 可 能 接 近 實(shí) 際 Dowell 1D model ( Magnetics Design tool) 通 過 1維 分 析 ， 推 算 變 壓 器 的 損 耗優(yōu) 點(diǎn) ： 較 準(zhǔn) 確 ,可 以 連 續(xù) 分 析缺 點(diǎn) ： 理 想 化 的 模

14、 型 ， 對 一 些 結(jié) 構(gòu) 有簡 化 ， 簡 化 越 多 ， 誤 差 越 大 輸 入 電 流 波 形計(jì) 算 在 上 面 波 形 下 不 同 導(dǎo) 線 的 R/RdcLitz線的 簡化 inV outVinI outImLk* *nLk L m 磁 通 回 路 全 部 通 過 繞 組 的 磁 通 為 勵 磁 磁 通位 置 上 為 全 部 在 鐵 心 中磁 通 回 路 有 一 部 分 在 繞 組 間 的 磁 通 為 漏 磁 通 ，位 置 上 為 經(jīng) 過 窗 口 的 磁 通漏 磁 通 存 儲 的 磁 場 能 量 dVBdVBdVBE Vwin airVcore coreV 222一 般 情 況 下

15、， aircore 30001000而 與 基 本 相 當(dāng) coreV winV所 以 可 以 簡 略 認(rèn) 為 dVHdVBE VwinairVwin airLk 22 漏 感 與 磁 場 VkLk HILE 22 2121 HmaxH=0 Hw wHiNH 減 小 Lk的 方 法 :1.拉 高 窗 口 寬 度 或 拉 寬 窗 口 寬 度 (如 平 面 化 )2.減 小 每 個 磁 回 路 的 電 流 和 (如 三 明 治 或 interleaving)3.減 小 Hmax的 區(qū) 域 體 積 (如 減 小 P-S之 間 距 離 ) 4.減 少 圈 數(shù) )( 2NLk 而 : 2 2IHiNL

16、V wk 故 : 開 關(guān) 電 源 的 拓 撲 相 關(guān) 參 數(shù) 計(jì) 算 AP選 擇 鐵 心設(shè) 計(jì) 繞 組評 估 變 壓 器 性 能 AP法 , 即 Area Product (面 積 乘 積 )法 的 簡 寫 inV outVinI outImLk走 磁 通 的 面 積 Ae走 電 流 的 面 積 AwX =APAP的 計(jì) 算 公式 AwAeAP sp fBN DVAe maxmaxmin Ku JINJINAw ssrmsspprmsp (磁 心 的 儲 能 能 力 ) (磁 心 的 通 過 電 流 的 能 力 ) 1 最 小 直 流 輸 入 電 壓 Vmin (V) 350 用 于 直 接

17、計(jì) 算 一 次 側(cè) 的 電 流 (Iin,Ip), 原 邊 電 壓 (Vp), 計(jì) 算 變 壓 器 磁 心 損 耗Pc和 交 流 磁 通 Bac2 輸 出 電 壓 Vo (V) 28 用 于 計(jì) 算 功 率 , 實(shí) 際 占 空 比 , 3 輸 出 電 流 Io (A) 7 用 于 計(jì) 算 功 率 ,二 次 側(cè) 電 流 (Is),輸 出 電 感 電 流 (ILo)4 輸 出 二 極 管 壓 降 Vd (V) 0.3 用 于 計(jì) 算 功 率5 工 作 效 率 h 0.9 用 于 計(jì) 算 輸 入 功 率 (Pin), 一 次 側(cè) 電 流 (Iin,Ip)6 開 關(guān) 頻 率 f (kHz) 100 用

18、 于 選 擇 磁 性 材 料 ,計(jì) 算 電 流 (Ip,Is,ILo)7 最 大 占 空 比 Dmax 0.4 用 于 計(jì) 算 峰 值 電 流 Ipk,交 流 磁 通 Bac等8 環(huán) 境 溫 度 Ta ( ) 25 限 制 磁 心 損 耗 和 繞 組 電 流 密 度9 允 許 溫 升 Tr ( ) 751.從 電 路 引 入 的 設(shè) 計(jì)參 數(shù)2.磁 性 元 件 的 一 些 常 規(guī) 設(shè)計(jì) 參 數(shù) 1 原 邊 繞 組 允 許 電 流 密 度 Jp (A/cm2) 600 通 常 設(shè) 計(jì) 時(shí) ,繞 組 電 流 密 度 在 400-600之 間 ,功 率 較 小 或 者 散 熱 條 件 較 好 ,如

19、有 風(fēng) , PCB繞 組 等 ,可 以 升 到 1000, 而 對 于 一 些 特 殊 的 繞 組 , 如 散 熱 較差 或 頻 率 太 高 可 以 考 慮 降 低 到 3002 副 邊 繞 組 允 許 電 流 密 度 Js (A/cm2) 7503 窗 口 利 用 率 Ku 0.2 常 用 的 鐵 氧 體 磁 心 ,變 壓 器 Ku不 超 過 0.2, 單 繞 組 電 感 ,0.25, 環(huán) 形 電 感 尺寸 從 小 到 大 可 以 選 擇 不 超 過 0.35到 0.45 )(1.198)( WIVVP odoo 1.計(jì) 算 最 大 輸 出 功 率2.計(jì) 算 原 邊 平 均 電 流 Iin

20、)(629.0/ min AVPoIin h3.預(yù) 計(jì) 算 原 邊 電 流 脈 沖 Ipk )(5722.1/ max ADII inpk Ipk 原 邊 電 流 波 形4.預(yù) 計(jì) 算 原 邊 電 流 有 效 值 Iprms AADII pkprms 1)(9944.0max rForward變 壓 器 磁 心 中 的 回 線DB 5.Bmax的 選 擇 : )(8114)1( 4max maxmin mmKuJfB DVIAwAeAP psprms hfs10mm線 包 結(jié) 構(gòu) ： 常 規(guī) 變 壓 器 ， 原 副 原 三 明 治 結(jié) 構(gòu)注 意 ： 輔 助 變 壓 器 或 需 要 高 漏 感

21、的 變 壓 器 可 以 考 慮 用 Simple結(jié) 構(gòu)而 要 求 低 損 耗 時(shí) 可 以 考 慮 采 用 interleaving結(jié) 構(gòu) 3.通 過 一 維 計(jì) 算 確 定 導(dǎo) 線 的 優(yōu) 化 條件 . 0.5 單 層 線0.1x25c 單 層 線 0.9 單 層 線 9圈 副 邊 銅 箔 /4.5層 圈 副 邊 銅 箔 3.5層一 二 次 側(cè) 邊 界 主 層次 層原 邊 繞 組 主 次 共 層副 邊 繞 組 主 次 共 層 一 二 次 側(cè) 邊 界主 層次 層內(nèi) 外 原 邊 繞 組 一 個 層 個 層中 間 副 邊 繞 組 次 層 由 主 層 平分 到 個 組 中 ， 各 有 層 注 意 ：

22、銅 箔 的 規(guī) 則 與 導(dǎo) 線 相 同 如 果 是 Litz線 ， 層 數(shù) 還要 乘 上 股 數(shù) 的 開 方 值 （ 如 層 0.1x25c線 的 損 耗 層 數(shù) 是 xsqrt(25)=2x5=10層 4.不 同 線 組 合 的 對 比 列 表 . 線 型 導(dǎo) 線 層 數(shù) ， 或 銅 箔 繞 組圈 數(shù) Re/Rdc0.1*25c 5 1.10.1*25c 10 1.40.5 1 1.540.5 2 3.350.9 1 2.560.9 2 7.11 0.45 1 1.670.12銅 箔 1.360.15銅 箔 1.48 5.導(dǎo) 線 的 選 擇 與 排 布 . BBN的 繞線 空 間13.55

23、4.1 0.1x25c,線 徑 約0.65mm每 層 可 布 20圈 ， 共 布 2 層 余 4圈總 厚 0.65x3=1.95mm 0.5,線 徑 約 0.55mm每 層 可 布 24圈 ， 共 布 2層 少 4圈總 厚 1.1mm副 邊 繞 組 : 0.9TIW,線 徑 約 1.15mm每 層 可 布 11圈 ， 一 層 布 完 ,總 厚 1.15mm0.12mm銅 箔 ,每 層外 帶 6層 膠 帶 合 計(jì)0.48mm組 合 0.1x25c+0.9TIW,sandwich,總 厚 度3.76mm組 合 20.5+0.9TIW,sandwich,總 厚 度2.91mm 銅 箔 繞 組對 比

24、0.9TIW,當(dāng) 銅箔 繞 組 超 過 3匝 ,即不 合 算 6.線 包 結(jié) 構(gòu) . TopBottom P繞 組 1,24Ts,0.5,實(shí) 際 厚 度 約 0.5mmP-S繞 組 間 絕 緣 和 Shielding共 厚 約 0.42mmS繞 組 9圈 TIW 0.9線 除 去 絕 緣 實(shí) 厚 約 0.9mmP-S繞 組 間 絕 緣 和 Shielding共 厚 約 0.42mmP繞 組 2,20Ts,0.1x25c, 實(shí) 際 厚 度約 0.5mmPQ2625 組 合 2RM12/I 組 合 1 TopBottom P繞 組 1,21Ts,0.1x25c,實(shí) 際 厚 度 約 0.65mmP-

25、S繞 組 間 絕 緣 和 Shielding共 厚 約 0.42mmS繞 組 7圈 TIW 0.9線 除 去 絕 緣 實(shí) 厚 約 0.9mmP-S繞 組 間 絕 緣 和 Shielding共 厚 約 0.42mmP繞 組 2,14Ts,0.1x25c, 實(shí) 際 厚 度約 0.65mm 7. 導(dǎo) 線 損 耗 的 計(jì) 算 . 采 用 組 合 2方 案0.5+0.9TIW,sandwich,總 厚 度 2.91mm原 邊 直 流 電 阻 2875.0/AwpNpMLTRpdc 443.054.1 RpdcRpe原 邊 等 效 電 阻副 邊 直 流 電 阻 0182.0/AwsNsMLTRsdc 03

26、.064.1 RsdcRse副 邊 等 效 電 阻 繞 組 損 耗 W RseIsrmsRpeIprmsPw 03.1 22 1.氣 隙 的 計(jì) 算 . 對 于 正 激 變 壓 器 ， 電 子 工 程 師 需 要 給 出 一 個 合 適 的 電 感 值 ,以 降 低 鐵心 中 的 Br,例 如 :Lp=800uH較 準(zhǔn) 確 的 氣 隙 電 感 計(jì) 算 公 式 ：mml gap 389.0氣 隙 可 以 加 工 1.實(shí) 際 的 交 流 磁 通 密 度 . 2.鐵 心 損 耗 的 計(jì) 算 . )(1308.0 )2/(maxmin T AefNpDVB sac )(304.1 WfBCP ysxa

27、cmc 3.總 損 耗 的 計(jì) 算 . )(334.2 WPPP wcT 4.損 耗 比 重 . %18.1/ oT PP PQ26/25 RM12/I13.55 2.74 0.5x24T0.9x9T0.5x20T磁 心 對 稱 軸7.1 0.420.42H 24AT -20ATuHLk 93.2 14 3.040.65x21T0.9x7T0.65x14T磁 心 對 稱 軸7.3 0.420.42H 21AT -15ATuHLk 04.2 65)5(56 22 542 33)3(34 211 321 21)1(12 1)( xxxifxxxxHH xxxifH xxxifxxxx HHH xx

28、xifH xxxifxxxxHxHH1 H2x1 x2 x3 x4 x5 x6x xH對 x的 函 數(shù)漏 感 能 量 與 電 感 之 間 的 關(guān) 系 ：220 21)(21 ILdVxHE kV winLk win 計(jì) 算 出 來 的 結(jié) 果 并 不能 代 表 實(shí) 際 的 結(jié) 果 ，但 可 以 對 比 不 同 的 繞組 結(jié) 構(gòu) 的 漏 感 大 小計(jì) 算 漏 感 時(shí) 的 線 包 總 厚 度 不 包 括 線 包 最 外 層 的 膠 帶 厚 度線 包 截 面 及 相 對 尺 寸 線 包 截 面 及 相 對 尺 寸 1 最 大 直 流 輸 入 電 壓 Vmax(V) 334 用 于 跟 據(jù) 各 器 件

29、 的 電 壓 應(yīng) 力 計(jì) 算 Duty的 范 圍最 小 直 流 輸 入 電 壓 Vmin (V) 108 用 于 直 接 計(jì) 算 一 次 側(cè) 的 電 流 (Iin,Ip), 原 邊 電 壓 (Vp), 計(jì) 算 變 壓 器 磁 心 損 耗Pc和 交 流 磁 通 Bac2 輸 出 電 壓 Vo (V) 19.5 用 于 計(jì) 算 功 率 , 實(shí) 際 占 空 比 , 3 輸 出 電 流 Io (A) 3.34 用 于 計(jì) 算 功 率 ,二 次 側(cè) 電 流 (Is),輸 出 電 感 電 流 (ILo)4 輸 出 二 極 管 壓 降 Vd (V) 0.3 用 于 計(jì) 算 功 率5 工 作 效 率 h 0.

30、9 用 于 計(jì) 算 輸 入 功 率 (Pin), 一 次 側(cè) 電 流 (Iin,Ip)6 開 關(guān) 頻 率 f (kHz) 65 用 于 選 擇 磁 性 材 料 ,計(jì) 算 電 流 (Ip,Is,ILo)7 工 作 模 式 CCM CCM,DCM,DCMB 8 紋 波 系 數(shù) Krp 0.6 Krp小 則 漏 感 的 吸 收 損 耗 和 交 流 損 耗 小 ， 而 Krp大 輸 出 Diode的 恢 復(fù) 損耗 小8 最 大 占 空 比 Dmax 0.45 用 于 計(jì) 算 峰 值 電 流 Ipk,交 流 磁 通 Bac等9 環(huán) 境 溫 度 Ta ( ) 25 限 制 磁 心 損 耗 和 繞 組 電

31、流 密 度10 允 許 溫 升 Tr ( ) 75 1.從 電 路 引 入 的 設(shè) 計(jì)參 數(shù)2.磁 性 元 件 的 一 些 常 規(guī) 設(shè)計(jì) 參 數(shù) 1 原 邊 繞 組 允 許 電 流 密 度 Jp (A/cm2) 500 通 常 設(shè) 計(jì) 時(shí) ,繞 組 電 流 密 度 在 400-600之 間 ,功 率 較 小 或 者 散 熱 條 件 較 好 ,如 有 風(fēng) , PCB繞 組 等 ,可 以 升 到 1000, 而 對 于 一 些 特 殊 的 繞 組 , 如 散 熱 較差 或 頻 率 太 高 可 以 考 慮 降 低 到 3002 副 邊 繞 組 允 許 電 流 密 度 Js (A/cm2) 5003

32、窗 口 利 用 率 Ku 0.2 常 用 的 鐵 氧 體 磁 心 ,變 壓 器 Ku不 超 過 0.2, 單 繞 組 電 感 ,0.25, 環(huán) 形 電 感 尺寸 從 小 到 大 可 以 選 擇 不 超 過 0.35到 0.45 1.FLYBACK的 工 作 原理 * *Vin LkLm Tx ip,imCCM, Continuous Current Mode,連 續(xù) 電 流 工 作 模 式DCM, Discontinous Current Mode,斷 續(xù) 電 流 工 作 模 式DCMB, DCM Boundary,臨 界 斷 續(xù) 電 流 工 作 模 式 上 述 模 式 均 指 的 是 Lm的

33、 工 作 狀 態(tài) imCCMDCM imDCMB 1.AP的 計(jì) 算Ippk 原 邊 電 流 波 形 Ispk 副 邊 電 流 波 形)(13.65)( WIVVP odoo 2.計(jì) 算 原 邊 平 均 電 流 Iin)(67.0/ min AVPoIin h3.預(yù) 計(jì) 算 原 邊 電 流 峰 值 Ipk )(291.2)2/1/( max ADKrpII inpk 4.預(yù) 計(jì) 算 原 邊 電 流 有 效 值 Iprms)(046.1)13( 2max AKrpKrpDII pkprms 1.輸 出 功 率 Po )(27.466)21(/( 2 uHfKrpKrpIPoL spkp h5.原

34、 邊 電 感 值 Lp7.計(jì) 算 AP )(65.7947 2max/max)1(1( 4mm BacKuJp LpKrpIppkIprmsDDAP 6.Bmax選 擇跟 據(jù) 頻 率 選 擇 材 料 為 3C96,再 跟 據(jù)Bs選 擇 Bmax=Bac=0.1036 跟 據(jù) AP選 擇 鐵 心鐵 心 規(guī)格 APPQ 20/16 2932.8 PQ 20/20 4117.8PQ 26/20 7305.4PQ 26/25 10143PQ 32/20 13604.5PQ 32/30 24899.7PQ 35/35 41800 鐵 心 規(guī)格 APRM10/I 6168.9RM12/I 14962.1R

35、M14/I 28828.8RM4/I 195.6RM5/I 414RM6S/I 888RM7/I 1389.2RM8/I 2874.7跟 據(jù) 下 表 選 擇 PJ3018選 擇 條 件 ： 1.flyback 2.假 設(shè) 限 高 20mm 3.要 求 高 功 率 密 度 4. 無 風(fēng)鐵 心 規(guī)格 APPJ3018 8784PJ3319 13326 BBN for J3018 圈 數(shù) 的 計(jì) 算 與 選 擇 1. 圈 比 的 計(jì) 算 . 46.4)1()/( maxmaxmin DVVDVn do 2. 圈 比 的 合 理 性 . 2.18arg do inindsmds VV VVVn 12.

36、1 arg oindmmdm in VVV Vnn=4.46滿 足 要 求 3. 圈 數(shù) 的 計(jì) 算 . Mos耐 壓 Vds=600V,裕 量 Vdsmargin=150VDiode耐 壓 Vdm=150V,裕 量 Vdmmargin=50V 30)2/(maxmin BacAefDVNp s 77.6/ nNpNs回 算 ： 3123.31 nNsNp 取 ： 731NsNp 圈 數(shù) 的 計(jì) 算 與 選 擇 3. 驗(yàn) 算 圈 比 和 Duty Cycle . 42.4/ NsNpn 4. 計(jì) 算 氣 隙 . 5. 鐵 心 中 磁 通 的 計(jì) 算 . 滿 足 要 求 448.0)(min/(

37、)(max VdVonVVdVonD 滿 足 要 求跟 據(jù) 得 到 mml gap 32.0 可 以 加 工交 流 磁 通 )(1.0)2/(maxmin TAefNpDVBac s 直 流 磁 通 )(186.0)21( TAeNp IpkKrpLpBdc 最 大 磁 通 BsTBdcBacB 8.0)(286.0 max 滿 足 要 求 1.計(jì) 算 導(dǎo) 線 截 面 積 . 2209.0 mmJpIprmsAwp 2026.1 mmJsIsrmsAws 前 面 已 得 出 ： Iprms=1.046A Jp=500 /cm2對 于 反 激 電 路 ， 副 邊 電 流前 面 給 定 Js=50

38、0A/cm2 2.導(dǎo) 線 類 別 和 線 包 結(jié) 構(gòu) 的 初選 . 52.04 AwpD原 邊 線 徑 單 心 線 0.55mm,多 股 線 0.1x30C 副 邊 線 徑 15.14 AwsD TIW 均 小 于 1.0,取 TIW0.8x2線 包 結(jié) 構(gòu) ： 常 規(guī) 變 壓 器 ， 原 副 原 三 明 治 結(jié) 構(gòu) )(13.5)13()1(/ 2max AKrpKrpDII spksrms 3.在 design tool中 計(jì) 算Re/Rdc . 線 型 導(dǎo) 線 層 數(shù) ， 或 銅 箔 繞 組圈 數(shù) Re/Rdc0.1*30c 5.5 1.050.1*30c 11 1.20.8 1 1.6

39、80.8 2 3.86 4.導(dǎo) 線 的 排 布 . P繞 組 1,14Ts,0.1x30c,實(shí) 際 厚 度 約 0.75mmP-S繞 組 間 絕 緣 和 Shielding共 厚 約 0.42mmS繞 組 7圈 TIW 0.8x2線 2層 除 去 絕 緣 實(shí) 厚 約 1.9mmP-S繞 組 間 絕 緣 和 Shielding共 厚 約 0.42mmP繞 組 2,17Ts,0.1x26c, 實(shí) 際 厚 度約 0.75mm其 中 內(nèi) 層 13圈 ,外 層 4圈 ,占 用1.5mm線 包 總 厚 度 :5.1mm BBN壁 與 Core 之 間 5.35mm 5.繞 組 損 耗 的 計(jì) 算 . 0.

40、1x30C+0.8TIWx2,sandwich,總 厚 度 2.91mm原 邊 直 流 電 阻 1739.0/AwpNpMLTRpdc 183.005.1 RpdcRpe原 邊 等 效 電 阻副 邊 直 流 電 阻 0092.0/AwsNsMLTRsdc 0155.068.1 RsdcRse副 邊 等 效 電 阻 繞 組 損 耗 ,考 慮 到 氣 隙 的 擴(kuò) 散 效 應(yīng) 造 成 的 損 耗 ， Pw估 測 損 耗 增 加 30%W RseIsrmsRpeIprmsPw 79.0 )(3.1 22 .鐵 心 損 耗 . )(147.0 WfBCP ysxacmc 2.變 壓 器 總 損 耗 耗

41、. )(937.0 WPPP wcT 3.變 壓 器 損 耗 比 重 . %44.1/ oT PP 4.漏 感 的 估 算 . 65)5(56 22 542 33)3(34 211 321 21)1(12 1)( xxxifxxxxHH xxxifH xxxifxxxx HHH xxxifH xxxifxxxxHxHH對 x的 函 數(shù)漏 感 能 量 與 電 感 之 間 的 關(guān) 系 ： 220 21)(21 ILdVxHE kV winLk win 計(jì) 算 出 來 的 結(jié) 果 并 不能 代 表 實(shí) 際 的 結(jié) 果 ，但 可 以 對 比 不 同 的 繞組 結(jié) 構(gòu) 的 漏 感 大 小10.7 4.4

42、90.75x14T0.8x7T0.75x17T 磁 心 對 稱 軸 7 0.420.42H 14AT -17AT uHLk 39.2x 線 包 截 面 及 相 對 尺 寸 常 見 做 法 :主 輸 出 Vo1有 反 饋 控 制 ,輔 助 輸 出 不控 ,由 Nso1與 Nso2的 變 比 決 定 輸 出電 壓常 見 問 題 :主 輸 出 Vo1重 載 ,Vo2電 壓 漂 高 . 多 路 輸 出 的 交 差 調(diào) 整 問 題漂 高 原 因 電 壓 spike 解 決 方 法 :1.加 強(qiáng) 輔 助 繞 組 與 受 控 副 邊 間 的 偶合 ,強(qiáng) 化 受 控 輸 出 對 輔 助 輸 出 電 壓 的 鉗

43、位 (主 要 因 素 )2.盡 可 能 地 減 小 輔 助 輸 出 與 原 邊 間的 偶 合 ， 減 小 原 副 邊 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 的 電 壓尖 峰 對 輔 助 繞 組 的 影 響 (次 要 因 素 )做 法 ： P S1 Aux(S2)Aux SecPriGood coupleBad couple 1 最 小 直 流 輸 入 電 壓 Vmin (V) 390 用 于 直 接 計(jì) 算 一 次 側(cè) 的 電 流 (Iin,Ip), 原 邊 電 壓 (Vp), 計(jì) 算 變 壓 器 磁 心 損 耗Pc和 交 流 磁 通 Bac2 輸 出 電 壓 Vo (V) 12 用 于 計(jì) 算 功 率 , 實(shí) 際 占

44、 空 比 , 3 輸 出 電 流 Io (A) 50 用 于 計(jì) 算 功 率 ,二 次 側(cè) 電 流 (Is),輸 出 電 感 電 流 (ILo)4 輸 出 二 極 管 壓 降 Vd (V) 0.3 用 于 計(jì) 算 功 率5 工 作 效 率 h 0.95 用 于 計(jì) 算 輸 入 功 率 (Pin), 一 次 側(cè) 電 流 (Iin,Ip)6 開 關(guān) 頻 率 f (kHz) 100 用 于 選 擇 磁 性 材 料 ,計(jì) 算 電 流 (Ip,Is,ILo)9 環(huán) 境 溫 度 Ta ( ) 25 限 制 磁 心 損 耗 和 繞 組 電 流 密 度10 允 許 溫 升 Tr ( ) 751.從 電 路 引

45、 入 的 設(shè) 計(jì)參 數(shù)2.磁 性 元 件 的 一 些 常 規(guī) 設(shè)計(jì) 參 數(shù) 1 原 邊 繞 組 允 許 電 流 密 度 Jp (A/cm2) 600 通 常 設(shè) 計(jì) 時(shí) ,繞 組 電 流 密 度 在 400-600之 間 ,功 率 較 小 或 者 散 熱 條 件 較 好 ,如 有 風(fēng) , PCB繞 組 等 ,可 以 升 到 1000, 而 對 于 一 些 特 殊 的 繞 組 , 如 散 熱 較差 或 頻 率 太 高 可 以 考 慮 降 低 到 3002 副 邊 繞 組 允 許 電 流 密 度 Js (A/cm2) 8003 窗 口 利 用 率 Ku 0.2 常 用 的 鐵 氧 體 磁 心 ,變

46、 壓 器 Ku不 超 過 0.2, 單 繞 組 電 感 ,0.25, 環(huán) 形 電 感 尺寸 從 小 到 大 可 以 選 擇 不 超 過 0.35到 0.45 1.AP的 計(jì) 算Ipk 原 邊 電 流 波 形)(615)( WIVVP odoo 2.計(jì) 算 原 邊 平 均 電 流 Iin)(66.1/ min AVPoIin h3.預(yù) 計(jì) 算 原 邊 電 流 脈 沖 Ipk)(69.3/ max ADII inpk 4.預(yù) 計(jì) 算 原 邊 電 流 有 效 值 Iprms)(5.2max ADII pkprms 1.輸 出 功 率 Po 6.計(jì) 算 AP5.Bmax選 擇跟 據(jù) 頻 率 選 擇 材

47、 料 為 DMR44,全 橋磁 心 在 1-3相 限 工 作 ，跟 據(jù) Bs選 擇 Bmax=Bac=0.2017 )(17500)1( 4max maxmin mmKuJfB DVIAwAeAP psprms h 跟 據(jù) AP選 擇 鐵 心鐵 心 規(guī)格 APPQ 20/16 2932.8 PQ 20/20 4117.8PQ 26/20 7305.4PQ 26/25 10143PQ 32/20 13604.5PQ 32/30 24899.7PQ 35/35 41800 鐵 心 規(guī)格 APRM10/I 6168.9RM12/I 14962.1RM14/I 28828.8RM4/I 195.6RM

48、5/I 414RM6S/I 888RM7/I 1389.2RM8/I 2874.7跟 據(jù) 下 表 選 擇 PQ3230選 擇 條 件 ： 1.全 橋 2.假 設(shè) 限 高 35mm 3.要 求 高 功 率 密 度 4. 有 風(fēng)鐵 心 規(guī)格 APJ3018 8784J3319 13326 PQ3230 BBN 繞 線 空 間 圈 數(shù) 的 計(jì) 算 與 選 擇 . 圈 數(shù) 的 計(jì) 算 . 2605.26)2/(maxmin BacAefDVNp s 1913.0221 maxmin DV VVNpNsNs do 285.282 maxmin do VV DVNsNp復(fù) 算 Np 圈 數(shù) 的 計(jì) 算 與

49、 選 擇 2.原 邊 無 氣 隙 電 感 的 計(jì) 算 . MPL=71.8mm mHMPLNpAeLp i 499.502 Ae=149mm2, Bac=200mT 3.變 壓 器 的 變 比 . 4.實(shí) 際 最 大 占 空 比 . 28/ NsNpn 45.0442.02 minmax odo VV VVNpD D最 大 值 滿 足 要 求 1.計(jì) 算 導(dǎo) 線 截 面 積 . 2416.0 mmJpIprmsAwp 2153.4 mmJsIsrmsAws 前 面 已 得 出 ： Iprms=4.99A Jp=600 /cm2對 于 全 橋 電 路 ， 副 邊 電 流前 面 給 定 Js=60

50、0A/cm2 2.導(dǎo) 線 類 別 和 線 包 結(jié) 構(gòu) 的 初選 . 72.04 AwpD原 邊 線 徑 單 心 線 0.8mm,多 股 線 0.1x50C 副 邊 線 徑 3.24 AwsD 線 徑 過 粗 ,選 用 銅 箔 0.1x16,常 規(guī)繞 法 )(28.33max ADII osrms 3.在 design tool中 計(jì) 算Re/Rdc . 線 型 導(dǎo) 線 層 數(shù) ， 或 銅 箔 繞 組圈 數(shù) Re/Rdc0.1*100c 10 1.1570.1*200c 8 4.550.8 1 2.740.2銅 箔 1 1.810.6銅 箔 1 5.44厚 度 大 于 0.2mm的 銅 箔 ,損

51、 耗 基 本 相 同 4.導(dǎo) 線 的 排 布 . P繞 組 1,14Ts,0.1x50c,實(shí) 際 厚 度 約 0.95mmP-S繞 組 間 絕 緣 和 Shielding共 厚 約 0.42mmS1 和 S2各 1圈 0.2x16銅 箔 ,實(shí) 厚 0.7P-S繞 組 間 絕 緣 和 Shielding共 厚 約 0.42mmP繞 組 2,14Ts,0.1x50c, 實(shí) 際 厚 度約 095mm常 規(guī) 結(jié) 構(gòu) 5.繞 組 損 耗 的 計(jì) 算 . 0.1x50C+0.2X16 copper,sandwich,總 厚 度 2.91mm原 邊 直 流 電 阻 108.0/AwpNpMLTRpdc 12

52、5.0157.1 RpdcRpe原 邊 等 效 電 阻副 邊 直 流 電 阻 00047.0/AwsNsMLTRsdc 00084.081.1 RsdcRse副 邊 等 效 電 阻 W RseIsrmsRpeIprmsPw 646.2 2 22 繞 組 損 耗 .鐵 心 損 耗 . )(47.3 WfBCP ysxacmc 2.變 壓 器 總 損 耗 耗 . )(12.6 WPPP wcT 3.變 壓 器 損 耗 比 重 . %1/ oT PP 4.漏 感 的 估 算 常 規(guī) 結(jié) 構(gòu) . 65)5(56 22 542 33)3(34 211 321 21)1(12 1)( xxxifxxxxH

53、H xxxifH xxxifxxxx HHH xxxifH xxxifxxxxHxHH對 x的 函 數(shù)漏 感 能 量 與 電 感 之 間 的 關(guān) 系 ： 220 21)(21 ILdVxHE kV winLk win 計(jì) 算 出 來 的 結(jié) 果 并 不能 代 表 實(shí) 際 的 結(jié) 果 ，但 可 以 對 比 不 同 的 繞組 結(jié) 構(gòu) 的 漏 感 大 小18.5 3.440.95x14T0.2x2T0.95x14T 磁 心 對 稱 軸 7.95 0.420.42H 14AT -14AT uHLk 38.1x 1.變 壓 器 損 耗 的 最 優(yōu) 化 推 導(dǎo)2.繞 組 損 耗 的 影 響 因 素 變 壓

54、 器 的 電 路 模 型* *nLk Lm 變 壓 器 的 電 路 等 效 模 型Lk LmRpri RsecRm Roip im is漏 感 原 邊 繞 組 損 耗勵 磁 電 感 副 邊 繞 組 損 耗鐵 損 等 效 負(fù) 載Vimippripio RViRRiVP 22sec)( pii iVP )(1 )(1 sec 22sec pmii ppri pi mippriio iRVV iRR iV RViRRPP h Pw Pc 跟 據(jù) 最 小 值 原 理 ,當(dāng) 時(shí) ,pmii ppri iRVV iRR )( sech效 率 達(dá) 到 變 壓 器 的 最 大 值 .即 ,當(dāng) Pw=Pc時(shí) ,

55、變 壓 器 獲 得 最 大 效 率本 推 導(dǎo) 是 在 一 定 的 簡 化 條 件 下 才 成 立 的 Vo )(1 pmii psp iRVV iRR h m/R)( mosp LRRR 條 件 :此 時(shí) : opi RiV ) )(1 moo sp RRRRR h當(dāng) )( spmo RRRR m spRRR 21max h m sppmii psp RRRiRVV iRR )( sp oi ii VV 繞 組 損 耗 : 222 )()( oisppspw RVRRiRRP 特 定 鐵 心 損 耗 (定 頻 ): xpxixmc NVkBkP 1 )( 2122 oixpxioispi RV

56、NVkRVRRP 輸 入 功 率 :當(dāng) 原 副 邊 導(dǎo) 線 填 充 率 相 同 時(shí) : 22 psp NkRR 2 12222 oixpxioipi RVNVkRVNkP Min(Pi) 212 221 )( xoxip kRVkNwc PxP 2將 上 式 代 入 Pw 和 Pc公 式 得 到 :對 于 多 數(shù) 磁 性 材 料 來 說 ,x 在 2-3之 間 , 所 以Pc=0.61*Pw根 據(jù) 效 率 的 不 同 優(yōu) 化 條 件 可 以 得 到 不 同 的 最 高 點(diǎn) , 但 Pc和 Pw的差 距 總 在 來 說 不 宜 太 大 k kkdck kkwindingwindingwinding ICRIRIRP 222dckk RRC /其中1.DCR:所 選 鐵 心 的 MLT,圈 數(shù) 和 線 徑 *股 數(shù)2.Rwinding: 繞 組 的 選 線 和 排 布 HmaxH=0 跟 據(jù) 交 流 損 耗 的 原 理平 行 排 布 的 同 向 電 流 的導(dǎo) 體 ,其 平 行 2側(cè) 的 H值 越大 ,交 流 損 耗 越 大 )W( worH IH wHwHmaxH=0Ww 減 小 H的 方 法 :1.拉 高 窗 口 寬 度 或 拉 寬 窗 口 寬 度 (如 平 面 化 )2.減 小 每 個 磁 回 路 的 電 流 和 (如 三 明 治 或 interleaving)