開關電源變壓器設計.doc

開關電源變壓器設計 1. 前言 2. 變壓器設計原則 3. 系統(tǒng)輸入規(guī)格 4. 變壓器設計步驟 4.1選擇開關管和輸出整流二極管 4.2計算變壓器匝比 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計算初級臨界電流均值和峰值 4.6計算變壓器初級電感量 4.7選擇變壓器磁芯 4.8計算變壓器初級匝數(shù)、次級匝數(shù)和氣隙長度 4.9滿載時峰值電流 4.10 最大工作磁芯密度Bmax 4.11 計算變壓器初級電流、副邊電流的有效值 4.12 計算原邊繞組、副邊繞組的線徑，估算窗口占有率 4.13 計算繞組的銅損 4.14 變壓器繞線結構及工藝 5. 實例設計—12W Flyback變壓器設計 1. 前言 ◆ 反激變換器優(yōu)點： 電路結構簡單 成本低廉 容易得到多路輸出 應用廣泛，比較適合100W以下的小功率電源 ◆ 設計難點 變壓器的工作模式隨著輸入電壓及負載的變化而變化 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. 變壓器設計原則 ◆ 溫升 安規(guī)對變壓器溫升有嚴格的規(guī)定。Class A的絕對溫度不超過90°C； Class B不能超過110°C。因此，溫升在規(guī)定范圍內(nèi)，是我們設計變壓器必須遵循的準則。 ◆ 成本 開關電源設計中，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格，體積和品質最優(yōu)化，是開關電源設計者努力的方向。 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 預估效率：η 最大溫升：40℃ 4.0變壓器設計步驟 4.1選擇開關管和輸出整流二極管 開關管MOSFET:耐壓值為Vmos 輸出二極管:肖特基二極管 最大反向電壓VD 正向導通壓降為VF 4.2計算變壓器匝比 考慮開關器件電壓應力的余量(Typ.=20%) 開關ON ： 0.8·VD > Vin max / N + Vo 開關 OFF ： 0.8·VMOS > 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：2µF~3µF/W 最低輸入電壓 ( 假設tc=3ms ) Vin min = (2Vac min)2-2 × Pin ( T2 - tc )Cin 最低輸入電壓，最大功率時，占空比最大Dmax Dmax = N ? ( Vo+ VF )N ? Vo+ VF + Vin min 4.4 反激變換器的工作過程分析 低輸入電壓時，負載從輕載到重載，變壓器經(jīng)歷從DCM →BCM →CCM的過程 高輸入電壓時，負載從輕載到重載，變壓器一直工作在DCM 4.5 計算初級臨界電流均值和峰值 按照最小輸入電壓，最大輸出功率(Pomax)的條件計算 Po = 1/3Po max時，變換器工作在BCM Po < 1/3Po max時，變換器工作在DCM Po > 1/3Po max時，變換器工作在CCM BCM模式下，最小輸入電壓時的平均輸入電流 Iin-avg = 13 ? PinVin min 變壓器初級臨界電流峰值 ?Ip1 = Ipk1 = 2 × Iin-avgDmax 4.6 計算變壓器初級電感量 最低輸入電壓，BCM條件下，最大通時間 Ton max = 1fs × Dmax 變壓器初級電感量 Lp = Vin min × Ton max?Ip1 4.7 選擇變壓器磁芯 基于輸出功率和開關頻率計算面積乘積，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)；對于鐵氧體磁芯取 Kc=1 Bm是變壓器工作磁通密度，取 Bm≤12 Bsat 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 計算變壓器初級、次級匝數(shù)、輔助繞組匝數(shù)和氣隙長度 初級繞組的匝數(shù) Np = Vin min × ton maxAe × Bm×108 增加或者減小匝數(shù)只會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%會使磁芯損耗增加15% 次級繞組匝數(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 × N2Lp 4.9 滿載時峰值電流 CCM時，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 變壓器初級峰值電流 Ipk2 = Po / ηVin min × Dmax+ ?IP22 4.10 最大工作磁芯密度Bmax Bmax = Lp × Ipk2Ae × Np×108 < Bsat 如果Bmax<Bsat，則證明所選擇的磁芯通過，否則應重新選擇 4.11 計算變壓器初級電流、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 計算原邊繞組、副邊繞組的線徑，估算窗口占有率 導線的橫截面積 自然冷卻時，一般取電流密度 j = 4A / mm2 初級繞組：Sp = Iprms ( A ) / 4 ( A / mm2 ) 副邊繞組：Ss = Isrms ( A ) / 4 ( A / mm2 ) 線徑及根數(shù) 集膚深度 δ= 6.61 / fs cm 導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 ×π×Rp2 + Ns ×π×Rs2 + Ncc ×π×Rcc2 4.13計算繞組的銅損 根據(jù)導線的電阻和集膚深度，確定每個繞組的銅損耗 總損耗一定要小于預算損耗，溫升經(jīng)驗公式 ?T ≈ 800 × Ploss34 × Ae×Aw 4.14變壓器繞線結構及工藝 骨架的選取 ：累計高度、寬度 繞法 ： 初級和次級交錯式(三明治)繞法：漏感小 5. 設計實例—12W開關電源變壓器設計 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 開關頻率：50kHz 預估效率：0.75 輸入最大功率：Pin=16W 變壓器最大溫升：40℃ 5.2 開關管MOSFET和輸出整流二極管 開關管MOSFET耐壓: Vmos=600V 輸出二極管：反向壓降VD=100V ( 正向導通壓降VF=0.5V ) 5.3計算變壓器匝比 0.8 ? VD > Vin max / N + Vo è 0.8 × 100 > 375 / N +12 0.8 ? Vmos > N ? ( Vo + VF ) + Vin max è 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=22µF 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 = 0.49 5.5 計算初級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最大導通時間和初級電感量 最大導通時間 ： Ton max = 1fs × Dmax = 9.8 μs 變壓器初級電感量 ： Lp = Vin min×Ton 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 ×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 變壓器初級匝數(shù)、次級匝數(shù)、輔助繞組匝數(shù)和氣隙長度 Np = 77 ×9.8 × 10-60.335 ×1600×108 = 140.7 取 Np = 140 Ts Ns = 140 / 6 = 23.3 Ts 取 Ns = 23 Ts Ncc = 19 × 23 / 12.5 ≈ 35 Ts lg = 0.4π ×33.5 × 14022.6 = 0.2 mm 5.9 滿載時峰值電流、最大工作磁通密度 Ipk2 = Po / ηVinmin×Dmax + ?Ip2 = 1677 ×0.49 + 0.14 = 0.56 A Bmax = Lp ×Ipk2Ae ×Np = 2.6×10-3 × 0.560.335 ×140×108 = 3100G < 3900G 5.10 變壓器初級電流、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 = 0.20A 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 導線的橫截面積： 電流密度 j = 4.2~5A / mm2 初級繞組：Sp=0.068mm2→Φ0.25mm ×1P→RDC = 4.523mΩ/cm ( 100℃ ) 副邊繞組：Ss = 0.328mm2→Φ0.40mm×2P→RDC = 0.892mΩ/cm ( 100℃ ) Vcc繞組：Scc = 0.1/4.2 = 0.024mm2 →Φ0.1mm×2P 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 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 è Pp= Iprms 2× Rpdc+ Ipac2 × Rpac=0.22WPs= Isrms 2× Rsdc+ Isac2 × Rsac=0.08W 5.13 計算繞組的鐵損 計算鐵損：查磁芯損耗曲線，PC40在 ΔB = 0.15T時為80mW / cm3 鐵損 PFe = 80 × 1.5 = 0.12 W 估算溫升 總損耗 Ploss = 0.12 + 0.30 = 0.42 W 經(jīng)驗公式 ?T ≈ 800 × 0.4234 × 33.5 ×60.48 = 22℃ < 40℃ 設計 OK 5.14 變壓器繞線結構及工藝 繞線寬度高度累計 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(0.1mm×2P) 總高度 = 0.275×4 + 0.52 × 2 + 0.13 × 3 + 0.03 × 7 = 2.74 mm 繞線結構次級→初級→次級