W交流適配器高頻開關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)及軟件

單輸功流配高開變器設(shè)及件--------------------------------------------------------------------------------言AC/DC適器高頻電子變壓器的設(shè)計(jì)有很多制約件，比如空間體積、熱的問(wèn)題、轉(zhuǎn)換器的效率、電磁干擾PWM控制IC、性價(jià)比等。所以磁心選用受到一定的限制，不像一般資料中介紹的滿足功率容量即可擇的余地不大以文不講解具體的磁心選擇，僅利用計(jì)算軟件對(duì)磁心的功率容量進(jìn)行校驗(yàn)。目前與和LCD配的中高檔作頻率在左。變壓器的繞組已用上了重絕緣線，再要做小變壓器已經(jīng)有難度我知小型化開關(guān)變壓器有兩種方法一提開關(guān)頻率帶的問(wèn)題是對(duì)EMI的制一定難度二選用更高飽和磁通密度的磁心材料，如TDK公的和見（果在100℃能到，那么我們?cè)谠O(shè)計(jì)開關(guān)變壓器時(shí)就能使用更少的圈數(shù)少銅損同又能提高初級(jí)繞組的電感量低值電流，減少開關(guān)管的能量損耗，從而減少開關(guān)變壓器的體積，進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)ADAPTER的小型化。因?yàn)榧夹g(shù)難度和材料成本等因素的制約前沒有看到這些新材料大量地使用些高檔的ADAPTER常選用RMPQ型磁心，這主要罐(POT型磁心比EEER型磁心有更好的磁屏蔽優(yōu)點(diǎn)，能減少EMI的播，然而繞線和出線等加工工藝比較困難，而這些中高檔ADAPTER大分是單路輸出所以本文講述ADAPTER開變壓器的磁心大部分是選用罐型磁心的變形、RM等中的方案。它們?cè)谙嗤妮敵龉β氏?，比、型心體積要小，溫升要低，而且EMI也、型心好，磁心加工要困難些，當(dāng)然它們的價(jià)格相對(duì)要高些。具體應(yīng)根據(jù)整體方案的空間、成本等而定。近幾年移動(dòng)消費(fèi)電子產(chǎn)品的需求量在不斷地增長(zhǎng)，刺激了AC/DCADAPTER的產(chǎn)量。由于體積、重量、效、待機(jī)功耗等因數(shù)ADAPTER有代傳統(tǒng)工頻ADAPTER趨勢(shì)（本文講的是ADAPTE年與彩色噴墨打印機(jī)配套電源是笨重的工頻ADAPTER在已換成了內(nèi)置的開關(guān)電源筆者早先是從事變壓器設(shè)備行業(yè)的知道的變壓器廠商有百家多先生產(chǎn)變壓器的企業(yè)近年來(lái)也紛紛投入人力和物力進(jìn)軍開關(guān)電源市場(chǎng)劇該市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)前講解反激式高頻電子變壓器設(shè)計(jì)的文章和書籍也變多了許例題是別人資料上抄過(guò)來(lái)的好應(yīng)注明使用的場(chǎng)合使用的條件和參考文獻(xiàn)以讀者校對(duì)如不清楚使用場(chǎng)合和使用條件最不要引用即一定要引用最好能自己動(dòng)手做幾個(gè)試一下然往往會(huì)給讀者誤導(dǎo)特別是初學(xué)者會(huì)無(wú)所適從本就沒完全理解清楚看幾份資料后更是一臉茫然以筆者感到應(yīng)該對(duì)相關(guān)資料作點(diǎn)整理。本文試圖闡述清楚設(shè)計(jì)20~75W反式AC/DCADAPTER開變壓器的幾個(gè)重要參數(shù)：、Bmax、B、ΔI、IpDmax等為以轉(zhuǎn)換器需要帶PFC它的設(shè)計(jì)參數(shù)如：和Dmax會(huì)所同。這些會(huì)在另一篇文章75~150WoutputtransformerforflybackAC/DCadapterdesign中解）本文不是講解高頻變壓器設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟如心如何選擇初次級(jí)繞組的線徑確定因?yàn)榇罅恐貜?fù)計(jì)算和校驗(yàn)工作可以由計(jì)算軟件完成它的方面如趨膚效應(yīng)鄰近效應(yīng)線圈繞組的分布和繞法等可參考其它文獻(xiàn)。/

激式轉(zhuǎn)換器的工作原理由圖（1）我們知道輸出功率小于150W的一優(yōu)先采用反激式電路。這是因?yàn)榉醇な诫娐返木€路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)(見圖，而且元件成本較低。調(diào)試時(shí)沒有困攏人的儲(chǔ)能電感，開發(fā)周期相對(duì)要短等優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)變壓器初級(jí)繞N1中漸地會(huì)有電流流過(guò)并將能量存儲(chǔ)在變壓器由于反激式轉(zhuǎn)換器初級(jí)與次級(jí)繞組的極性相反出級(jí)管D反偏置，次級(jí)繞組中有電流，此時(shí)沒有能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載；當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，繞組的極性反向，如圖（2所示，次級(jí)二級(jí)管正向?qū)?，?duì)輸出電容充電，變壓器輸出能量，也就是說(shuō)反激式轉(zhuǎn)換器中的變壓器相當(dāng)于一個(gè)電感存儲(chǔ)能量再放能量。磁通不能為負(fù)，屬單端反激。所謂單端反激是指變壓器磁心內(nèi)的磁通僅工作在第一像限。見圖(3)和圖4)。和磁通密度Bsat，最大磁通密度Bmax，磁通密度的擺幅ΔB的擇很少有資料比較系統(tǒng)的講解飽和磁通密度、大磁通密度Bmax、磁通密度的擺幅B的的關(guān)系和在設(shè)計(jì)中應(yīng)如何選擇這些參數(shù)，下面作詳細(xì)的講解。由（3）和圖可知無(wú)論是連續(xù)模式還是非連續(xù)模式只要滿足條件Bmax，磁心就不會(huì)飽和。然而有幾點(diǎn)需要我們注意隨溫度的升高、Br的會(huì)變小，見圖（5）和圖（在電源啟動(dòng)時(shí)前幾個(gè)周期占空比會(huì)超過(guò)我們?cè)O(shè)計(jì)的，用示波器可以捕捉到瞬間的峰值電流會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算的峰值電流；(3)載有時(shí)會(huì)過(guò)載，在ADAPTER過(guò)載保護(hù)動(dòng)作之前總的輸出功率會(huì)上升，這時(shí)的也會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算的峰值電流。如果我們?cè)O(shè)計(jì)的沒余量，即使幾個(gè)周期足以壞開關(guān)管。AC/DCADAPTER中關(guān)變壓器常用的料如TDK公司的和PC44或同品如公的PL-7和，公司的BM4性也相當(dāng)。面以PC40為說(shuō)ΔB的值。圖）是幾種常用的磁心材料在條下磁心的損耗與磁心溫度關(guān)系圖。由圖（5）和圖6可知對(duì)于工作頻率在60KHz~100KHz的ADAPTER,把磁心的工作溫度設(shè)計(jì)在90℃℃右比較合理，這時(shí)的磁心損耗最低。以PC40為例在℃時(shí)為為。Bmax=Bsat-Br=345mT比較差的情況磁心溫度上升到120℃時(shí)Bsat350mT,Br為50mTBmax=Bsat-Br=300mT同樣對(duì)PC44磁材料的磁心工作在100時(shí)Bmax為Bmax=Bsat-Br=390mT-60mT=330mTMB4磁心材料的心工作在℃時(shí)Bmax為Bsat-Br=400mT-54mT=346mT當(dāng)然反激式開關(guān)變壓器的磁心會(huì)開氣隙的Br會(huì)小Bmax的值可大些也就是說(shuō)對(duì)上述的三種材料的磁心Bmax不過(guò)300mT心不會(huì)飽和慮到開機(jī)啟動(dòng)和過(guò)載，建議對(duì)的磁心材料工作最高溫度℃左右Bmax取。樣既充分利用了磁心又保證磁心不工作在飽和區(qū)計(jì)變壓器時(shí)應(yīng)該考慮使用場(chǎng)合器散熱條件、工作條件然可靠的方法是用示波器捕捉一下最壞情況下的Ip,再根據(jù)飽和磁通限制公式××Ae)和鐵損限制公式ΔB=(LpΔI)/(Np×行飽和磁通密度和/

擺動(dòng)磁通密度校驗(yàn)一下。頻開關(guān)變壓器設(shè)計(jì)舉例例1：輸入輸出：開關(guān)頻率：60KHz開關(guān)MOSFET的壓：。輸出整流SCHOTTKY的壓100V.使用場(chǎng)合：PC超波用于LCD。變壓器散熱條件：由于高度和空間的限制，變壓器無(wú)外部散熱零件。工作條件：要求能滿載連續(xù)工作。磁心：RM10PC40Aw=69.5mm2link：68uF/400V整機(jī)要求效率，低端90V/AC)：；最高效率點(diǎn)效率。第一步確最大占空比Dmax。占空比是電源經(jīng)管IC根負(fù)載的大小，輸入電壓的不同為保證輸出電壓的穩(wěn)定而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。事實(shí)上只要初次級(jí)繞組的圈比和圖10）兩的直流漣波電壓，就可比較準(zhǔn)確的求出不同輸入電壓滿載情況下的占空比。由圖（9）可知開關(guān)MOSFET的定耐壓=inductance+Vmargin根據(jù)相關(guān)資料有Vsnubber≈1.5VORVDCMAX=VDCMIN=VACMIN×1.414-VDClink見表）VOR=N×(Vout+Vf)Vf為出流SCHOTTKY的壓降。由感引起尖峰電壓變壓器的繞組的圈數(shù)比組的繞法有關(guān)。一般需要控制漏感，但如果是諧振的轉(zhuǎn)換器這時(shí)需要較大的漏感。要注意！開關(guān)MOSFET的額定耐壓=×1.414+2.1×N×(Vout+Vf)+Vstaryinductance+Vmargin××N(Vout+Vf)+＜(Vmosrating:MOSFET額耐)264××＜373+26.25N+50＜600輸出整流的=(VDCMAX+Vstaryinductance)/N+Vout+Vmargin(373+50)/N+Vout＜100由可Np/Ns=6/1和SCHOTTKY兩的電壓均在額定值內(nèi)且有設(shè)計(jì)余量，可行。Dmax=(Vout+Vf)/(Vout+Vf+Vmin/N)=0.4538Dmax取0.45由上可知單端反激式轉(zhuǎn)換器的最大占空比并不像有些文章或書上介紹的那樣取或0.5。因?yàn)槿绻榷苏伎毡扔?jì)出的開關(guān)管和整流管的耐壓值可能需要很高樣不僅會(huì)影響材料成本而且對(duì)轉(zhuǎn)換器的效率也會(huì)有影響的數(shù)可能會(huì)不利于線圈在變壓器骨架上的分布因它影響到變器的漏感雜散電容等，需要綜合考慮加以平衡。這就是/

較大功率如90W最大占空比為什么只百分之三十多的原因。如果運(yùn)用計(jì)算軟件和動(dòng)手繞制結(jié)合就能得到平衡的值。大量的實(shí)驗(yàn)表明，為了平衡高低端的轉(zhuǎn)換效率，功率不大的轉(zhuǎn)換器往往是在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)ADAPTER是連續(xù)模式和非連續(xù)式同時(shí)存在，低端連續(xù)模式，高端非連續(xù)模式。像例1就是這樣。對(duì)于整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)連續(xù)模式和非連續(xù)模式同時(shí)存在的轉(zhuǎn)換器換效率點(diǎn)通常在連續(xù)模式向非連續(xù)模式轉(zhuǎn)換點(diǎn)處。這很容易用示波器捕捉到，如圖多本文章介紹反激式高頻電子變壓器的設(shè)計(jì)公式是以臨界推導(dǎo)的，低端臨界，占空比Dmax。有些公式甚至連轉(zhuǎn)換器的效率都沒考慮到。實(shí)際的轉(zhuǎn)換器在低端如90V/AC輸時(shí)往往不是臨界是計(jì)成連續(xù)模式這就為什么經(jīng)常感到按資料上介紹的公式計(jì)算出的結(jié)果和實(shí)際相差很大的原因。第2步：選取KRP值設(shè)KRP=IR/IP那么應(yīng)取多少?有些資料根本就不講，或有些資料給個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，或給出一個(gè)范圍，如參考文獻(xiàn)2中轉(zhuǎn)器KRP范是0.4~1.0事實(shí)上KRP取不同值計(jì)算的結(jié)果相差很大。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)19V的AC/DCADAPTERNOTEBOOK）即使在低端也是工作在不連續(xù)模式即K，率不大，輸出16V的ADAPTER由于是使用在音響設(shè)備上，有時(shí)瞬間的電流會(huì)超過(guò)額定電流的幾倍，為防止磁心在瞬間飽和和ΔB的取得比平常時(shí)低得多，這些都需要一定的經(jīng)驗(yàn)積累，下面的幾個(gè)例題中會(huì)作分析。那么取值沒有依據(jù)呢？AC/DCADAPTER一都有殼體，小部分是用螺釘緊固，大部分使用超聲波焊接。變壓器對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)換器的主要影響是溫升、效率和。圖（20）可直觀的看出在相同的開關(guān)頻下磁通密度的擺幅ΔB越，磁心損耗越大。所以我們可以利用磁心的溫升來(lái)限ΔB的值。由于變壓器沒外部散熱零件使變壓器的鐵損合理求把變壓器的滿載工作溫度控制在90~100℃左右。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)等同于℃環(huán)境溫度下溫升℃，根據(jù)圖19可知整個(gè)變壓器的鐵損為1W。假定銅損與鐵損相當(dāng)，變壓器的轉(zhuǎn)換效率×1)/(12，行。單位體積的鐵損為:1W/Ve=(1/4310)×1000000=232kW/m3為心RM10有體積根據(jù)圖（20）可知ΔB約取。據(jù)前面講的取280mT。由圖（3）和圖）可知KRP==200/280=0.714第3步：計(jì)算Ip（η×Vmin）link)]=40.1/[0.84×(127.26-37)]KRP)×Dmax]=1.82A第4步：確定初級(jí)繞組的電感量Lp=Po/[(Ip×Ip×KRP(1-η]=40.1/[(1.82×1.82×0.714(1-0.5×0.714)×60×η]≈0.522mH=522uH/

第5步：計(jì)算初級(jí)繞組的圈數(shù)≈根據(jù)骨架和繞線的分布取，二層，各，采用明治繞法，次級(jí)繞組放在中間，以減少漏感。第6步：計(jì)算次級(jí)繞組的圈數(shù)第7步：校驗(yàn)飽和磁通密度：Np)=(522×1.82)/(98×36)≈0.27T=270mT校驗(yàn)，見表（頻開關(guān)變壓器計(jì)算軟件開發(fā)變壓器設(shè)計(jì)軟件的主要目的是為了減輕大量繁瑣的重復(fù)計(jì)算是有了設(shè)計(jì)軟件就一定會(huì)設(shè)計(jì)出最優(yōu)的變壓器因?yàn)椴粌H要考慮到變壓器的性能格同樣是一個(gè)杠桿設(shè)出的變壓器的性能再優(yōu)價(jià)格不合一是失敗的設(shè)計(jì)現(xiàn)在市場(chǎng)上的開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)軟件很多別是一些大的電源管IC計(jì)公司ONPOWER、FAIRCHILD等他們都有自己的一套設(shè)計(jì)軟件。各家公司的軟件往往都具有自己鮮明的特點(diǎn)，更適合它們自己的電源經(jīng)管IC。特別是他們自動(dòng)計(jì)算出的變壓器與實(shí)際的往往相差很遠(yuǎn)寫件工程師更適合公式的計(jì)算和優(yōu)化們際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的較少，這一點(diǎn)我們可以從各公司提供的開關(guān)電源DEMO板出，僅僅是能工作而已，成為一個(gè)在市場(chǎng)上有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品還有大量的工作要做可開始對(duì)這些軟件滿懷希望最終失望的電源工程師們身上體會(huì)到實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中使用這些軟件的并不多頻關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)是反激式ADAPTER計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到整個(gè)轉(zhuǎn)換器的效率、溫升和EMI，必要設(shè)計(jì)一套行之有效的設(shè)計(jì)軟件。如果是自己使用，只要把各計(jì)算函數(shù)和校驗(yàn)公式輸入電腦，為防止函數(shù)被修改，需要對(duì)這些函數(shù)加密，像表）即可。如果你要作為商品就要對(duì)界面作些人性化處理用范圍不要設(shè)計(jì)得太廣軟件最好有人為干預(yù)，因?yàn)楦哳l電子變壓器設(shè)計(jì)涉及的參數(shù)太多，有許多特殊性，而且像磁心參數(shù)、Aw不廠家的還有所不同Dmax和比N還因?yàn)樵谧儔浩髟O(shè)計(jì)過(guò)程中需要設(shè)計(jì)者根據(jù)需要對(duì)材料成本、溫升、EMI和效率之間作折中，因此不要用自動(dòng)計(jì)算，這樣軟件才會(huì)更實(shí)用，幾分鐘即可得到例結(jié)果。例2：輸入輸出：16V開關(guān)頻率：70KHz使用場(chǎng)合：PC超波用于音響設(shè)備。變壓器散熱條件：變壓器加很簿的鋁片散熱。工作條件：要求正常工作是短間能承受16V/4A出。磁心：RM10PC40Aw=69.5mm2link82uF/400V要求效率低90V/AC),83%；最高效率效率。這時(shí)的B的值就有很大的不同再通用的設(shè)計(jì)方法時(shí)快就會(huì)損壞開關(guān)管，/

使整個(gè)轉(zhuǎn)換器失效。所以一定要注意使用的場(chǎng)合。也就是說(shuō)在4A時(shí)最。由于是短時(shí)間要求輸出4A,據(jù)的心材料Bmax可取280mT,正工作時(shí)等于280/4×，為了充分利用磁心ΔB=Bmax175mT。且有鋁散熱，設(shè)計(jì)安全可行算）論筆者力求使