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、次級匝數和氣隙長度最大工作磁芯密度 Bmax 計算變壓器初級電流、副邊電流的有效值 計算原邊繞組、副邊繞組的線徑，估算窗口占有率 計算繞組的銅損4.9 滿載時峰值電流4.104.114.124.13 4.14 變壓器繞線結構及工藝5. 實例設計 12W Flyback 變壓器設

2、計1. 前言反激變換器優(yōu)點：電路結構簡單 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， 而變壓器又是電源系統的重要組成部分，

3、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. 系統輸入規(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： 預估效率： 最大溫升：Vacmin Vacmax fLVoIofSPo4.0 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 ON0.8 Vd > Vin max / N + V。開關 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tc=3ms ）V in min= 042最低輸入電壓，最大功率時，占空比最大DmaxN'Vo+Vf)Dmax =川（卩。+尸）+內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，負載從輕載到重載，變壓器經歷從 高輸入電壓時，負載從輕載到重載，變壓器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Po = 1/3Po max時，變換器工作在Po < 1/3Po max時

5、，變換器工作在Po > 1/3Po max時，變換器工作在(Pomax)的條件計算BCMDCMCCMBCM模式下，最小輸入電壓時的平均輸入電流pHimmnlin-avg變壓器初級臨界電流峰值A| p1 = I pk14.6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1Ton max = f£ X Dmax變壓器初級電感量卩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頻率計算面積乘積，根據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：取 Ko=0.4Kc是磁芯填充系數；對于鐵

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計算變壓器初級、次級匝數、輔助繞組匝數和氣隙長度初級繞組的匝數Np 二Wn min * max 乂 08 Ae * Bra增加或者減小匝數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，匝數減小5%會使磁芯損耗增加15%輔助繞組匝數Ncc = ( Vcc + 1 ) X Ns / ( Vo+ Vf )氣隙長度：Ig =4.9滿載時峰值電流CCM時 ，T on max 固定不變輸入電壓不變

7、，BCM的T on max 等于CCMTon max內，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：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 計算原邊繞組、副邊繞組的線徑,Ipk2IpOIlslsk2IsO估算窗口占有率ITiinniax導線的橫截面積Sp = I prms (A ) / 4 ( A / mm2 )2Ss = I srms (A ) / 4 ( A / mm 2 )自然冷卻時，一般取電流密度 j = 4A / mm2 初級繞組： 副邊繞組：線徑及根數集膚深度S = 6.61 / 也 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計算繞組的銅損確定每個繞組的銅損耗溫升經驗公式根據導線的電阻和集膚深度, 總損耗一定要小于預算損耗,800 X PtN ,At g4.14變壓器繞線結構及工藝屏蔽層Naux1/2NPNs1/2N骨架的選?。豪塾嫺叨?、寬度繞法：初級和次級交錯式（三明治）繞法：漏感小擋墻Bobbin5.設計實例一12W開關電源變壓器設計5.1系統輸入規(guī)格輸入電壓： 輸入頻率： 輸出電壓： 輸出電流： 輸出功率： 開關頻率： 預估效率：90Vac265Vac50Hz12V1.0APo=12W50kHz0.75輸入最大功率：Pin=16W變壓器最大溫升：40 C5.2開關管

10、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 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計算初級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最大導通時間和初級電感量最大導通時間：Ton max1=f£ X Dmax = 9.8 e變壓器初級電感量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變壓器初級匝數、次級匝數、輔助繞組匝數和氣隙長度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計算原邊、副邊繞組的線徑，估算窗口占有率線徑及根數集膚深度 S = 6.61 / VK=6.61 / 如X佃 =0.29 cm導線的橫截面積：電流密度j = 4.25A / mm 2初級繞組: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X R宓5.13 計算繞組的鐵損計算鐵損：查磁芯損耗曲線,P C40A 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 P loss = 0.12 + 0.30 = 0.42 W800 X 0.42經驗公式At 臥 34xW33.5 x60.48 = 22C < 40C設計 OK5.14 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繞線結構次級7初級7次級StepWindingMaterialStartTurnsFinish1XITriple iiisulanoii. 0,40 C*!A23BTAPETAPE W= 12111111 (Y)13X20忙2L