反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)解析

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1、反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)學(xué) 習(xí) 培 訓(xùn) 教 材 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 一 、 變 壓 器 的 設(shè) 計(jì) 步 驟 和 計(jì) 算 公 式 ：1.1 變 壓 器 的 技 術(shù) 要 求 : 輸 入 電 壓 范 圍 ； 輸 出 電 壓 和 電 流 值 ； 輸 出 電 壓 精 度 ； 效 率 ； 磁 芯 型 號(hào) ； 工 作 頻 率 f； 最 大 導(dǎo) 通 占 空 比 Dmax； 最 大 工 作 磁 通 密 度 Bmax; 其 它 要 求 。1.2 估 算 輸 入 功 率 ， 輸 出 電 壓 ， 輸 入 電 流 和 峰 值 電 流 : 1） 估 算 總 的 輸 出 功 率 ：

2、P o=V01xI01+V02xI02 2） 估 算 輸 入 功 率 ： Pin= Po/ 3） 計(jì) 算 最 小 和 最 大 輸 入 電 流 電 壓 Vin(MIN)=ACMINx1.414(DCV) Vin(MAX)=ACMAXx1.414(DCV) 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 4） 計(jì) 算 最 小 和 最 大 輸 入 電 流 電 流 Iin(MIN)=PINxVIN (MAX) Iin(MAX)=PINxVIN (MIN)5） 估 算 峰 值 電 流 ： K POUT IPK = VIN (MIN)其 中 ： K=1.4(Buck 、 推 挽 和 全 橋 電

3、 路 ） K=2.8(半 橋 和 正 激 電 路 ） K=5.5(Boost， Buck- Boost 和 反 激 電 路 ） 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 1.3 確 定 磁 芯 尺 寸 確 定 磁 芯 尺 寸 有 兩 種 形 式 ， 第 一 種 按 制 造 廠 提 供 的 圖 表 ， 按 各 種 磁芯 可 傳 遞 的 能 量 來(lái) 選 擇 磁 芯 ， 例 如 下 表 ： 表 一 輸 出 功 率 與 大 致 的 磁 芯 尺 寸 的 關(guān) 系 輸 出 功 率 /W MPP環(huán) 形 E-E、 E-L等 磁 芯 磁 芯 直 徑 /（ in/mm) (每 邊 )/(in/mm

4、) 5 0.65(16) 0.5(11) 25 0.80(20) 1.1(30) 50 1.1(30) 1.4(35) 100 1.5(38) 1.8(47) 250 2.0(51) 2.4(60) 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 第 二 種 是 計(jì) 算 方 式 ， 首 先 假 定 變 壓 器 是 單 繞 組 ， 每 增 加 一 個(gè) 繞 組 并 考慮 安 規(guī) 要 求 ， 就 需 增 加 繞 組 面 積 和 磁 芯 尺 寸 ， 用 “ 窗 口 利 用 因 數(shù) ” 來(lái) 修整 。 單 繞 組 電 感 磁 芯 尺 寸 按 下 式 計(jì) 算 ： 0.68Pout dwx105

5、Ap=AwAe= Bmax f 式 中 ： dw - 一 次 繞 組 導(dǎo) 線 截 面 積 ， 單 位 為 ： cm2； Bmax - 最 大 工 作 磁 通 密 度 ， 單 位 為 T； f - 工 作 頻 率 ， 單 位 為 Hz; Pout - 變 壓 器 總 輸 出 功 率 ， 單 位 為 W。 窗 口 利 用 因 數(shù) 按 下 表 計(jì) 算 。 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 表 二 變 壓 器 窗 口 利 用 因 數(shù) 變 壓 器 情 況 窗 口 反 激 式 變 壓 器 1.1 一 個(gè) 二 次 繞 組 1.2 兩 個(gè) 或 多 個(gè) 二 次 繞 組 1.3 相 互

6、隔 離 的 二 次 繞 組 1.4 滿 足 UL或 CSA標(biāo) 準(zhǔn) 1.1 滿 足 IEC標(biāo) 準(zhǔn) 1.2 法 拉 第 屏 屏 蔽 1.1 用 下 式 按 變 壓 器 情 況 將 各 窗 口 利 用 因 數(shù) 綜 合 起 來(lái) Knet=Ka.Kb 最 后 以 下 式 可 以 估 算 出 變 壓 器 磁 芯 尺 寸 A p=Knet.Ap 按 照 上 計(jì) 算 A P值 ,加 一 定 裕 度 ,選 取 相 適 應(yīng) 的 磁 芯 . 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 1.4 計(jì) 算 一 次 電 感 最 小 值 Lpri Vin(min).Dmax Lpri = (H) Ipk f

7、式 中 ： f單 位 為 Hz1.5 計(jì) 算 磁 芯 氣 隙 Lgap 0.4 LpriIpk . 108 Lgap = cm2 AeB2max 其 中 ： Ae = 磁 芯 有 效 截 面 積 ， 單 位 為 cm2 Bmax = 單 位 為 G； Lpri = 單 位 為 H。 按 照 計(jì) 算 的 氣 隙 量 實(shí) 測(cè) 出 磁 芯 的 AL值 。 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 1.6 計(jì) 算 一 次 繞 組 所 需 的 最 大 匝 數(shù) Npri Lpri Npri = AL1.7 計(jì) 算 二 次 主 繞 組 （ 輸 出 功 率 最 大 的 繞 組 ） 所 需 匝

8、 數(shù) Ns1 Npri(V01+VD1)(1-Dmax) NS1 = (匝 ) Vin(min) Dmax 1.8 計(jì) 算 二 次 其 它 繞 組 所 需 匝 數(shù) Nsn (V on+VDn) Ns1 Nsn = (匝 ) V01 + VD1 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 1.9 檢 查 相 應(yīng) 輸 出 端 的 電 壓 誤 差 Vsn Vsn%=( = N sn-Vsn)/Vsn)x100% Nsn 式 中 ： Vsn% 相 應(yīng) 輸 出 電 壓 精 度 %; Vsn 相 應(yīng) 輸 出 電 壓 值 ； Nsn 計(jì) 算 的 相 應(yīng) 輸 出 電 壓 匝 數(shù) ； N sn

9、選 取 的 整 數(shù) 相 應(yīng) 輸 出 電 壓 匝 數(shù) 。 如 果 輸 出 電 壓 不 能 滿 足 規(guī) 定 的 精 度 ， 可 以 將 主 輸 出 繞 組 Ns1增 加 一 匝 ，再 計(jì) 算 相 應(yīng) 輸 出 繞 組 匝 數(shù) ， 看 能 否 滿 足 相 應(yīng) 精 度 ， 如 果 這 樣 修 改 結(jié) 果 仍不 滿 足 要 求 ， 只 可 回 到 開(kāi) 始 階 段 ， 增 加 一 次 繞 組 匝 數(shù) ， 重 新 計(jì) 算 一 次 繞組 匝 數(shù) ,直 到 滿 足 要 求 為 止 ， 但 是 增 加 一 次 繞 組 匝 數(shù) ， 會(huì) 使 變 壓 器 工 作 磁通 密 度 向 小 的 方 向 調(diào) 整 ,這 可 能 造

10、 成 在 較 低 輸 入 電 壓 時(shí) ,輸 出 無(wú) 法 達(dá) 到 額 定 的 電 壓 ,所 以 在 變 壓 器 設(shè) 計(jì) 時(shí) 要 適 當(dāng) 的 處 理 好 輸 出 電 壓 精 度 和 額 定 輸 出電 壓 值 的 關(guān) 系 . 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 1.10 計(jì) 算 和 選 取 繞 組 導(dǎo) 線 線 徑 繞 組 導(dǎo) 線 線 徑 按 下 式 計(jì) 算dwn= 1.13 In (mm) J 式 中 ： dwm 相 應(yīng) 繞 組 線 徑 ， 單 位 為 mm; In 相 應(yīng) 繞 組 額 定 電 流 ， 單 位 為 A； J 電 流 密 度 ， 單 位 為 A/mm2,一 般

11、取 3-10A/mm2選 取 各 繞 組 線 徑 后 ， 按 下 式 計(jì) 算 在 開(kāi) 關(guān) 工 作 頻 率 時(shí) 導(dǎo) 線 的 趨 膚 深 度 ，如 果 導(dǎo) 線 線 徑 超 過(guò) 趨 膚 深 度 ， 應(yīng) 選 用 導(dǎo) 線 截 面 積 相 近 的 多 股 線 繞 制 。 66.1 S= (mm) f式 中 ： S 導(dǎo) 線 趨 膚 深 度 ， 單 位 為 :mm; f 開(kāi) 關(guān) 工 作 頻 率 ， 單 位 為 Hz. 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 1.11 計(jì) 算 變 壓 器 銅 損1） 按 照 選 取 的 磁 芯 ， 估 算 出 變 壓 器 平 均 繞 組 長(zhǎng) 度 MLT。例

12、如 對(duì) EE型 磁 芯 MLT估 算 方 法 如 下 ： MLT=E+D+（ E-D） +2C=2E+2C其 它 型 號(hào) 磁 芯 估 算 MLT可 依 此 方 法 類 推 。2） 按 下 試 計(jì) 算 各 繞 組 銅 損Pcun=(Nn*MLT*Rn)In 2式 中 ： Pcun 第 n繞 組 銅 損 ， 單 位 為 瓦 Nn 第 n繞 組 匝 數(shù) ， 單 位 為 匝 MLT 平 均 繞 組 長(zhǎng) 度 ， 單 位 為 m Rn 第 n繞 組 導(dǎo) 線 每 米 長(zhǎng) 電 阻 ， 單 位 為 ； In2 第 n繞 組 額 定 電 流 ， 單 位 為 A； n 繞 組 序 號(hào) ， n=1,2,3 反激式開(kāi)關(guān)

13、電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 3） 按 下 式 計(jì) 算 變 壓 器 銅 損Pcu= pcun1.12 計(jì) 算 變 壓 器 鐵 損 Pc 變 壓 器 鐵 損 可 根 據(jù) 選 取 的 磁 芯 型 號(hào) 、 材 質(zhì) 、 按 照 變 壓 器 工 作 頻 率 和磁 通 密 度 從 磁 芯 手 冊(cè) 中 查 得 .1.13 驗(yàn) 證 變 壓 器 損 耗 是 否 符 合 設(shè) 計(jì) 要 求根 據(jù) 變 壓 器 規(guī) 定 的 效 率 按 下 式 計(jì) 算 變 壓 器 的 損 耗 值 :PT=Pin-PO=PO/ -PO 若 P T （ Pcu+Pc),變 壓 器 設(shè) 計(jì) 合 格 ， 如 果 計(jì) 算 的 （

14、 Pcu+Pc)值 大 于 PT值 ， 這 時(shí) 就 要 依 情 況 調(diào) 整 繞 組 導(dǎo) 線 線 徑 或 改 變 磁 芯 尺 寸 或 材 質(zhì) ， 以 滿足 變 壓 器 的 損 耗 符 合 要 求 。 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 2. 設(shè) 計(jì) 例2.1 變 壓 器 技 術(shù) 指 標(biāo) 輸 入 電 壓 ： AC90240V ， 50/60Hz 輸 出 ： DC+5V， 額 定 電 流 1A， 最 小 電 流 0.75A DC+12V,額 定 電 流 1A， 最 小 電 流 100mA DC-12V,額 定 電 流 1A， 最 小 電 流 100mA DC+24V,額 定

15、電 流 1A， 最 小 電 流 0.25A DC+12V,偏 置 電 流 100mA 輸 出 電 壓 精 度 ： +5V， +12V： 最 大 +/-5% +24V： 最 大 +/-10% 效 率 ： =80% 工 作 頻 率 ： 50KHz 工 作 磁 通 密 度 ： Bmax=2000G 安 規(guī) ： VDE 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 2.2 估 算 輸 入 功 率 、 輸 入 電 壓 、 輸 入 電 流 和 峰 值 電 流1） 輸 出 功 率 ： Po=5V*1A+2*12V*1A+24V*1.5A=65W2) 輸 入 功 率 ： Pin=Po/=65W/

16、0.8=81.25W3) 最 低 輸 入 電 壓 ： Vin(min)=AC90V*1.414=DC127V4) 最 高 輸 入 電 壓 ： Vin(max)=AC240V*1.414=DC340V5) 最 大 平 均 輸 入 電 流 ： Iin(max)=Pin/Vin(min)=81.25WDC127V=DC0.64A6) 最 小 平 均 輸 入 電 流 ： Iin(min)=Pin/Vin(max)=81.25WDC340V=DC0.24A7) 峰 值 電 流 ： Ipk=5.5Po/Vin(min)=5.5*65W/127V=2.81A2.3 確 定 磁 芯 型 號(hào) 尺 寸按 照 表

17、1， 65W可 選 用 每 邊 約 35mm的 EE35/35/10材 料 為 PC30磁 芯磁 芯 Ae=100mm 2, Acw=188mm2, W=40.6g2.4 計(jì) 算 一 次 電 感 最 小 值 Lpri Vin(min).Dmax 127*0.5 Lpri= = = 452*10-6H=452uH Ipk.f 2.81*50*103此 處 選 Dmax=0.5 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 2.5 計(jì) 算 磁 芯 氣 隙 Lgap值 0.4 Lpri.Ipk*108 0.4 *452*10-6*2.81*108Lgap= = = 0.04cm=0.4

18、mm Ae B2max 1*(2000)2 查 表 ， EE35/35/10 AL=120uH/N2 Lgap約 為 0.5mm2.6 計(jì) 算 一 次 繞 組 最 大 匝 數(shù) Npri Lpri 452*10-6 Npri = = = 61.4匝 取 Npri=62匝 AL 120*10-92.7 計(jì) 算 二 次 主 繞 組 匝 數(shù) NS1（ NS1為 DC+5V繞 組 ） Npri(V 01+VD)(1-Dmax) 62*(5+0.7)*(1-0.5)Ns1= = = 2.78匝 Vin(min)Dmax 127*0.5 取 Ns1=3匝此 處 整 流 二 極 管 壓 降 VD=0.7V 反

19、激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 2.8 計(jì) 算 其 它 次 級(jí) 繞 組 匝 數(shù) (Von+VDn)Ns1 Nsn = V01+VD1 (12+0.7)*3 +12V Nsn = = 6.68匝 取 7匝 5+0.7 (24+0.7)*3 +24V Ns24 = = 13匝 取 13匝 5+0.7 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 2.9 檢 查 相 應(yīng) 輸 出 端 電 壓 誤 差 Vsn Vsn%=( = *Ns n-Vsn)/Vsn)*100% Nsn 12 +12V VS12%=( = *7-12)12)*100%=4.79% 6.68

20、24 +24V VS24%=( = *13-24)24)*100%=0 % 13 電 壓 誤 差 均 符 合 要 求 。2.10 計(jì) 算 和 選 取 繞 組 導(dǎo) 線 線 徑 dwn=1.13 In J 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 計(jì) 算 趨 膚 深 度 66.1 66.1 S = = = 0.29 mm f 50*103 一 次 繞 組 ： dwp = 1.13 0.64 = 0.52 取 0.5mm 3 二 次 繞 組 ： +5V dwn1 = 1.13 1 = 0.65 取 0.5mm 6股 3 +12V, 0.5, 4股 -12V, 0.5, 2股 +24

21、V, 0.5, 2股 偏 置 , 0.4, 單 股 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 變 壓 器 繞 組 結(jié) 構(gòu) 的 設(shè) 計(jì) 變 壓 器 線 路 圖 如 下 ： 0.5/31匝 0.5*2/6匝 0.5/31匝 0.5*4/4匝 0.5*6/3匝 0.4/7匝 0.5*2/7匝 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 變 壓 器 繞 制 結(jié) 構(gòu) 如 下 ： 0.06/3層 偏 置 繞 組 0.06/3層 一 次 繞 組 0.06/3層 二 次 繞 組 0.06/3層 一 次 繞 組 3mm 3mm 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn)

22、 教 材 2.11 計(jì) 算 變 壓 器 損 耗1） 銅 損 ： Pcun = NnV* MLT*Rn)In2 MLT = 2E+2C=2*25.27+2*9.35=69.24mm初 級(jí) 銅 損 ： Pcup=(62*69.24*10-3*0.085)0.642 =0.15W 149W次 級(jí) 銅 損 ： Pcu+5V=(3*69.24*10-3*0.085/6)32 =0.026W 0.07W Pcu+12V=(4*69.24*10-3*0.085/4)22 =0.024W 0.06W Pcu+24V=(6*69.24*10-3*0.085/2)12 =0.018W 0.05W Pcu-12V=

23、(7*69.24*10-3*0.085/2)12 =0.021W 0.06W總 銅 損 ： Pcu=0.15+0.026+0.024+0.018+0.021=0.239W 2) 鐵 損 ： PC30磁 芯 在 50KHz,2000G時(shí) 損 耗 =250mw/cm 3=52mw/g Pc=250*10-3 *40.6 =2.1W 4.83) 變 壓 器 總 損 耗 PDT=PCU+PC=0.239+2.1=2.339=2.34W 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材 4) 開(kāi) 關(guān) 電 源 總 損 耗 估 算 ： 基 于 MOSFET的 反 激 式 變 換 器 的 經(jīng) 驗(yàn) 方

24、 法 ， 開(kāi) 關(guān) 電 源 損 耗 的 35%是 由MOSFET產(chǎn) 生 ， 60%號(hào) 整 流 部 分 產(chǎn) 生 ， 其 余 是 變 壓 器 的 損 耗 。效 率 為 80%時(shí) ， 本 開(kāi) 關(guān) 電 源 總 損 耗 為 16.25W.a. MOSFET:PDM=16.25W*0.35=5.7Wb. 整 流 部 分 ： PD+5V=(5/65） （ 16.25W） （ 0.6） =0.75W PD+12V=(12*2/65） （ 16.25W） （ 0.6） =3.6W PD+24V=(24/65） （ 16.25W） （ 0.6） =3.6Wc. 變 壓 器 部 分 ： PDT= PCU+PC =2.339W開(kāi) 關(guān) 電 源 總 損 耗 P D =5.7+0.75+3.6+3.6+2.34=15.72W低 于 規(guī) 定 的16.25W,變 壓 器 設(shè) 計(jì) 合 格 。 反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)(2) 技 術(shù) 部 培 訓(xùn) 教 材END本課程講解完畢，進(jìn)入自由提問(wèn)階段*謝謝*