開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)

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)和氣隙長度最大工作磁芯密度 Bmax 計(jì)算變壓器初級(jí)電流、副邊電流的有效值 計(jì)算原邊繞組、副邊繞組的線徑，估算窗口占有率 計(jì)算繞組的銅損4.9 滿載時(shí)峰值電流4.104.114.124.13 4.14 變壓器繞線結(jié)構(gòu)及工藝5. 實(shí)例設(shè)計(jì) 12W Flyback 變壓器設(shè)

2、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 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?cè)O(shè)計(jì)變壓器必須遵循的準(zhǔn)則。 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，

3、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： 輸入頻率： 輸出電壓： 輸出電流： 工作頻率： 輸出功率： 預(yù)估效率： 最大溫升：Vacmin Vacmax fLVoIofSPo4.0 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?VF4.2 計(jì)算變壓器匝比考慮開關(guān)器件電壓應(yīng)力的余量 (Typ.=20%)開關(guān) ON0.8 Vd > Vin max / N + V。開關(guān) OFF ：O.8 VMOS > N( Vo+ V F

4、)+ V in max匝比Nmin < N < N max4.3確定最低輸入電壓和最大占空比輸入濾波電容：2F3F/W 最低輸入電壓（假設(shè)tc=3ms ）V in min= 042最低輸入電壓，最大功率時(shí)，占空比最大DmaxN'Vo+Vf)Dmax =川（卩。+尸）+內(nèi)7!加方 4.4反激變換器的工作過程分析DCM BCM CCM 的過程直工作在DCM低輸入電壓時(shí)，負(fù)載從輕載到重載，變壓器經(jīng)歷從 高輸入電壓時(shí)，負(fù)載從輕載到重載，變壓器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Po = 1/3Po max時(shí)，變換器工作在Po < 1/3Po max時(shí)

5、，變換器工作在Po > 1/3Po max時(shí)，變換器工作在(Pomax)的條件計(jì)算BCMDCMCCMBCM模式下，最小輸入電壓時(shí)的平均輸入電流pHimmnlin-avg變壓器初級(jí)臨界電流峰值A(chǔ)| p1 = I pk14.6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1Ton max = f£ X Dmax變壓器初級(jí)電感量卩in誕吮X Ton waxLp =A/pi4.7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 = 2 X q XX Kf X L X B劃 X jKo是窗口的銅填充系數(shù)：取 Ko=0.4Kc是磁芯填充系數(shù)；對(duì)于鐵

6、氧體磁芯取Kc=1< -BsaiBm是變壓器工作磁通密度，取 Bm 2j是電流密度，取j = 4.2A/mm 2考慮繞線空間，盡量選擇窗口面積大的磁芯，查表選擇Aw和Ae4.8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 二Wn min * max 乂 08 Ae * Bra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%輔助繞組匝數(shù)Ncc = ( Vcc + 1 ) X Ns / ( Vo+ Vf )氣隙長度：Ig =4.9滿載時(shí)峰值電流CCM時(shí) ，T on max 固定不變輸入電壓不變

7、，BCM的T on max 等于CCMTon max內(nèi)，電感電流線形上升增量的 Ton maxinrUn onmax切Aipi =Alp2低輸入電壓，滿載條件下Po = 2 X葉 X Lp X (I2pk2 -I2pkO ) X fsIpk2 =卩inmi nA/p22變壓器初級(jí)峰值電流4.10最大工作磁芯密度BmaxBmaxLp X 城 2 X 血X Np< Bsat如果BmaxVBsat，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：la = Ipk - 2*Ip電流直流分量:Idc = Dmax X Ia電流有效值：1 prms

8、 = 1 a電流交流分量:Iac = I aJDgJl 一 Dgj)4.12 計(jì)算原邊繞組、副邊繞組的線徑,Ipk2IpOIlslsk2IsO估算窗口占有率ITiinniax導(dǎo)線的橫截面積Sp = I prms (A ) / 4 ( A / mm2 )2Ss = I srms (A ) / 4 ( A / mm 2 )自然冷卻時(shí)，一般取電流密度 j = 4A / mm2 初級(jí)繞組： 副邊繞組：線徑及根數(shù)集膚深度S = 6.61 / 也 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KoAw NpX JI X Rp + Ns X兀 X

9、fij + Ncc X兀 X /?$4.13計(jì)算繞組的銅損確定每個(gè)繞組的銅損耗溫升經(jīng)驗(yàn)公式根據(jù)導(dǎo)線的電阻和集膚深度, 總損耗一定要小于預(yù)算損耗,800 X PtN ,At g4.14變壓器繞線結(jié)構(gòu)及工藝屏蔽層Naux1/2NPNs1/2N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：漏感小擋墻Bobbin5.設(shè)計(jì)實(shí)例一12W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： 輸入頻率： 輸出電壓： 輸出電流： 輸出功率： 開關(guān)頻率： 預(yù)估效率：90Vac265Vac50Hz12V1.0APo=12W50kHz0.75輸入最大功率：Pin=16W變壓器最大溫升：40 C5.2開關(guān)管

10、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 I Vd > Vin max / N + Vo0.8 X 100 > 375 / N +120.8 I Vmos > N I ( Vo + VF ) + V in max0.8 X 600 > N X ( 12 + 0.5 ) +3755.5 < N < 8.45.4最低輸入電壓和最大占空比選擇 Cin=22uF最低輸入電壓：Vin min = 7T2 X Pfn (-S)Gn1272 _

11、2x16x7x10-322x10'® 站 17V最大占空比：JV'CFo+Ff)6 X 12.5Dmax = N * (卩0+Kf )+V加加 n = 6 X 12,5+77 = 0.495.5計(jì)算初級(jí)臨界電流均值和峰值16Iin-avg = 3x77 = 0.07 A2 X 丿2 x0.07049= 0.285 AA| p1 = |pk1 = Qmax5.6最大導(dǎo)通時(shí)間和初級(jí)電感量最大導(dǎo)通時(shí)間：Ton max1=f£ X Dmax = 9.8 e變壓器初級(jí)電感量Lp ='ontmxA/pi77x9 8x10"6兀 2.7mH5.7變壓器磁

12、芯面積12 X 102=0.066 cmAPp = 2 xO.75x0.42 x 50 x 10 x 1600 x4（鐵氧體磁芯 Bsat =3900G，取 Bm = 1600G ）查表2 2EF20Ae = 0.335 cm 2，Aw = 0.6048 cmAP = Aw * Ae = 0.202 cm 2 > 0.066 cm 25.8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 =0.335 X160'077X93 10" X108=140.7 取 Np 二 140 TsNs = 140 / 6 = 23.3 Ts取 Ns = 23 TsNcc = 19

13、X 23 / 12.5咯 35 Ts0.47rx33.5x 14*Ig =2.6=0.2 mm5.9滿載時(shí)峰值電流、最大工作磁通密度PO/T16Ipk2 = VinmnxDTmx+ 2= 77X0.49 + 0.14 = 0.56 ALp x/pk2Bmax = Aexffp2.6x10一m X 0,56.eQX 10=3100G < 3900G0.335x1405.10 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 電流直流值Ipa = 0.42A bdc = 0.20A電流有效值 電流交流值Iprms = 0.29AIp ac = 0.208A副邊各電流: 電流直流值 電流中

14、值Isdc = 1AIsa = 1.92A電流有效值電流交流值Isrms = 1.38AIac = 0.959A5.11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 S = 6.61 / VK=6.61 / 如X佃 =0.29 cm導(dǎo)線的橫截面積：電流密度j = 4.25A / mm 2初級(jí)繞組:Sp=0.068mm 2t 0.25mm x 1PtRdc = 4.523m Q /cm ( 100 C )副邊繞組:Ss = 0.328mm 2宀 0.40mm< 2Pt Rdc = 0.892m Q /cm ( 100 °C )Vcc繞組:Scc = 0.1/4.2

15、= 0.024mm 2 t 0.1mmX 2P窗口占有率：0.4 X 60.48 2 140 X nX 0.1252+ 23 X HX 0.22 + 35 XHX0.08224.213.6 OK5.12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 iNp = 140 >3.5 = 329 cm副邊 Ins = 23 >3.5 = 54.0 cm各繞組直、交流電阻：原邊 Rpde = 1.45 QRpac=2.38 Q副邊 Rsdc =0.024 QRsac=0.038 QVcc繞組電流過小，忽略繞組損耗各繞組損耗:Pu = 0.30WPppr-msEnnsR

16、p必+ 弟必 X Rpg 二 0.22WRM【爲(wèi)X R宓5.13 計(jì)算繞組的鐵損計(jì)算鐵損：查磁芯損耗曲線,P C40A B = 0.15T 時(shí)為 80mW / cm 3鐵損 PFe = 80 X 1.5 = 0.12 W估算溫升總損耗 P loss = 0.12 + 0.30 = 0.42 W800 X 0.42經(jīng)驗(yàn)公式At 臥 34xW33.5 x60.48 = 22C < 40C設(shè)計(jì) OK5.14 變壓器繞線結(jié)構(gòu)及工藝?yán)@線寬度高度累計(jì)查 EF20 Bobbin 繞線寬度 W=12.1mm，高度 H=2.9mm0.25mm，最大外徑 0.275mm0.40mm，最大外徑 0.52mm0.10mm，最大外徑 0.13mm總高度=0.275 >4 + 0.52每層 35T，W1=9.62mm每層 23T，W2=11.9mm每層 35T，W3=9.1mm(0.1m> 2P)> + 0.13>+ 0.03>= 2.74 mmNcc絕緣帶Np 4層Bobbin繞線結(jié)構(gòu)次級(jí)7初級(jí)7次級(jí)StepWindingMaterialStartTurnsFinish1XITriple iiisulanoii. 0,40 C*!A23BTAPETAPE W= 12111111 (Y)13X20忙2L