開關電源變壓器設計

1、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 Bmax4.11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. 實例設計一12W Flyback變壓器設計1.前言反激變換器優(yōu)點：電路

2、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，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，而變壓器乂是電源系統(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、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：T最大溫升：40 C4.0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Vf4.2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 > V in max / N + Vo開關 OFF :0.8 , VMOS > N , ( Vo+ Vf) + Vin max匝比N min < N < N max(b)開關管

4、OFF4.3確定最低輸入電壓和最大占空比輸入濾波電容：2 F3卜F/W最低輸入電壓(假設tc=3ms )V in min =一 ？ 一 . vt M,北將x駕2 -初? ?最低輸入電壓，最大功率時，占空比最大DmaxDmax? ?（說+ ?）? X ?, ?3?） + ?3? ?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 tBCM tCCM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DCMAlpAfpAlpDCMDCMCCM4.5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 = 1/3P o max時，變換

5、器工作在 BCMPo < 1/3P o max時，變換器工作在 DCMPo > 1/3P o max時，變換器工作在 CCMBCM模式下，最小輸入電壓時的平均輸入電流13 ?冷?？I in-avg =? ?變壓器初級臨界電流峰值?Ip1 = I pk1 =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 = X Dmax?變壓器初級電感量?"? ? ? ?1Lp =4.7選擇變壓器磁芯? X 10基丁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)z _ Vin min

6、 X o max 】 八 8N p 10PAe X B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)輔助繞組匝數(shù)氣隙長度：Ns = Np / NNcc = ( Vcc + 1 ) X Ns / ( Vo+ Vf )0.4 ? ? ?lg = -?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等丁 CCM的Ton maxT on max內，電感電流線形上升增量? Ipi =?"? ? ? ?=?Ip2低輸入電壓，滿載條件下變壓器初級峰值電流Po =板 X

7、1X Lp XFpk2 |2pk0 ) X fs?/ ?I pk2 =?22?3? ? ?4.10最大工作磁芯密度 Bmax? X ?28BmaxV B satX108? x ?如果BmaxVBsat,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 -電流直流分量：Idc = D max X Ia電流有效值： I prms = I a V?"?電流父流分重 ：Iac = I aA/?(?1 - ?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 / mm

8、2初級繞組：Sp = Iprms ( A ) / 4 ( A / mm 2 )副邊繞組：Ss = Isrms ( A ) / 4 ( A / mm 2 )線徑及根數(shù)集膚深度a = 6.61 /網(wǎng)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 KoAw > Np x?x?+ Ns e?x?+ Ncc e?x?!?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丁預算損耗，溫升經(jīng)驗公式800 X ?T Q ?"34 xS°?x 粉4.14變壓器繞線結構及工藝骨架的選?。豪塾嫺叨?、

9、寬度繞法：初級和次級交錯式(三明治)繞法：漏感小屏蔽層Bobbin5.設計實例一12W開關電源變壓器設計5.1系統(tǒng)輸入規(guī)格輸入電壓：90Vac265Vac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 C5.2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 0.8 X 100 > 375 / N +

10、120.8 ?Vmos > N ?( Vo + Vf ) + Vin max 0.8 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=22p F最低輸入電壓：_? 一2 X 16 X 7 處 10Q 77?/2 x ? - ?初Vin min = v (v2? ? = 力 27 2?最大占空比：_? ?絲?，?)_6 X 12.5 _一 ? ? ?+ ?)+ ? ? 6 X 12.5+77 一 .5.5計算初級臨界電流均值和峰值lin-avg = 1=工=g A ?3? ?3 X 77?|p

11、1 = Ipk1 =2 X ?-? 2 X 0.07=0.285 A?0.495.6最大導通時間和初級電感量最大導通時間：Ton max = X Dmax = 9.8 ?變壓器初級電感量?"? ? ?Lp -p?177 X 9.80.285X-610* 2.7mH5.7變壓器磁芯面積12X 10APp = = 0.066 cm 22 X 0.75 X 0.42 X 50 X 1600 X4(鐵氧體磁芯 Bsat = 3900G，取 Bm = 1600G )查表EF20 Ae = 0.335 cm 2, Aw = 0.6048 cm 2AP = Aw * Ae = 0.202 cm 2

12、 > 0.066 cm 25.8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 二9* J°X 108 = 140.7 取 Np = 140 Ts 0.335 X 1600Ns = 140 / 6 = 23.3 Ts 取 Ns = 23 TsNcc = 19 x 23 / 12.5 * 35 Ts0.4? X 33.5 獎 140lg =2.6= °.2 mm5.9滿載時峰值電流、最大工作磁通密度? / ?Ipk2 一 ? X ?+?-16+ 0.14 = 0.56 A 77 X 0.49Bmax =? x ?2 x 1(3 x 0.56) 108?

13、X ? 0.335 X 140=3100G < 3900G5.10 變壓器初級電流、副邊電流的有效值原邊各電流: 電流中值 電流直流值Ipa = 0.42AIpdc = 0.20A電流有效值Iprms =0.29A電流交流值Ipac = 0.208A副邊各電流: 電流直流值 電流中值Isdc = 1AIsa = 1.92A電流有效值I srms =1.38A電流交流值Iac = 0.959A5.11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a = 6.61 / 5務=6.61 / V50 x 103 = 0.29 cm導線的橫截面積：電流密度j = 4.25A / mm初

14、級繞組：Sp=0.068mm 2 0.25mm x 1P Rdc = 4.523m Q /cm ( 100 C )副邊繞組：Ss = 0.328mm 2 0.40mnK 2P Rdc = 0.892m Q /cm ( 100 C )Vcc繞組:Scc = 0.1/4.2 = 0.024mm 2 0.1mm< 2P窗口 占有率：0.4 x 60.48 > 140 x24.2 > 13.6兀 X 0.1252 + 23OKx 兀 x0.22 + 35 x兀 X 0.0825.12 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 >2

15、3.5 = 329 cm副邊 Ins = 23 >23.5 = 54.0 cm各繞組直、交流電阻：原邊 Rpdc = 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 = 0.30W?= ( -?=物?T2?%?+? ?頂?乂?>? ?><? 0.22?=? 0.08?5.13 計算繞組的鐵損計算鐵損：查磁芯損耗曲線，PC40在 B = 0.15T時為80mW / cm 3鐵損 PFe = 80 X 1.5 = 0.12 W估算溫升總損耗Pioss = 0.12 + 0.30 = 0

16、.42 W800 X 0.42經(jīng)驗公式設計 OK?T . = 22C < 40C34 Xv33.5X 60.485.14 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=2.9mm0.25mm，最大夕卜徑0.275mm0.40mm，最大夕卜徑0.52mm0.10mm，最大夕卜徑0.13mm每層 35T, W1=9.62mm每層 23T, W2=11.9mm每層 35T, W3=9.1mm(0.1m麻 2P)7 = 2.74 mm一絕緣帶總高度 =0.275 >4 + 0.52 汲 + 0.133 + 0.03繞線結構次級T初級T次級StepWindingMaterialStartTurnsFinishRemark1N1Triple iiisulatioiL 0,40 *1A23BN1&N6 with TEFLON Tube.N2.N 3.N4.N5 without TEFLON Tube-TAPETAPE 12nun (Y)13N20.1 中P 2UEW空3544TAPETAPE W=12nini (Y)15N30.25 中 *1 2UEW11406TAPETAPE W= 12mm (Y)17N42U