開關(guān)電源變壓器設(shè)計.doc

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開關(guān)電源變壓器設(shè)計 1. 前言 2. 變壓器設(shè)計原則 3. 系統(tǒng)輸入規(guī)格 4. 變壓器設(shè)計步驟 4.1選擇開關(guān)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(jié)構(gòu)及工藝 5. 實例設(shè)計—12W Flyback變壓器設(shè)計 1. 前言 ◆ 反激變換器優(yōu)點： 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)計難點 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)計原則 ◆ 溫升 安規(guī)對變壓器溫升有嚴(yán)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(shè)計變壓器必須遵循的準(zhǔn)則。 ◆ 成本 開關(guān)電源設(shè)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(zhì)最優(yōu)化，是開關(guān)電源設(shè)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(yù)估效率：η 最大溫升：40℃ 4.0變壓器設(shè)計步驟 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計算變壓器匝比 考慮開關(guān)器件電壓應(yīng)力的余量(Typ.=20%) 開關(guān)ON ： 0.8·VD > Vin max / N + Vo 開關(guān) 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(shè)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(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，負(fù)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(guān)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 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(dǎo)通時間和初級電感量 最大導(dǎo)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(dǎo)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(shè)計 OK 5.14 變壓器繞線結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)次級→初級→次級