開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)

1、開(kāi)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(kāi)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(guò)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(zhǎng)度4.9滿載時(shí)峰值電流4.10最大工作磁芯密度 Bmax4.11計(jì)算變壓器初級(jí)電流、副邊電流的有效值4.12計(jì)算原邊繞組、副邊繞組的線徑，估算窗口占有率4.13計(jì)算繞組的銅損4.14變壓器繞線結(jié)構(gòu)及工藝5. 實(shí)例設(shè)計(jì)一12W Flyback變壓器設(shè)計(jì)1.前言反激變換器優(yōu)點(diǎn)：電路

2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)90° C;Class B不能超過(guò)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(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)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(jià)格，體積和品質(zhì)最優(yōu)化，是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)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(yù)估效率：T最大溫升：40 C4.0變壓器設(shè)計(jì)步驟4.1選擇開(kāi)關(guān)管和輸出整流二極管開(kāi)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f4.2計(jì)算變壓器匝比考慮開(kāi)關(guān)器件電壓應(yīng)力的余量(Typ.=20%)開(kāi)關(guān) ON :0.8 - Vd > V in max / N + Vo開(kāi)關(guān) OFF :0.8 , VMOS > N , ( Vo+ Vf) + Vin max匝比N min < N < N max(b)開(kāi)關(guān)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(shè)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(shí)，占空比最大DmaxDmax? ?（說(shuō)+ ?）? X ?, ?3?） + ?3? ?4.4反激變換器的工作過(guò)程分析低輸入電壓時(shí)，負(fù)載從輕載到重載，變壓器經(jīng)歷從DCM tBCM tCCM的過(guò)程高輸入電壓時(shí)，負(fù)載從輕載到重載，變壓器一直工作在DCMAlpAfpAlpDCMDCMCCM4.5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(Pomax)的條件計(jì)算Po = 1/3P o max時(shí)，變換

5、器工作在 BCMPo < 1/3P o max時(shí)，變換器工作在 DCMPo > 1/3P o max時(shí)，變換器工作在 CCMBCM模式下，最小輸入電壓時(shí)的平均輸入電流13 ?冷?？I in-avg =? ?變壓器初級(jí)臨界電流峰值?Ip1 = I pk1 =4.6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Ton max = X Dmax?變壓器初級(jí)電感量?"? ? ? ?1Lp =4.7選擇變壓器磁芯? X 10基丁輸出功率和開(kāi)關(guān)頻率計(jì)算面積乘積，根據(jù)面積乘積來(lái)選擇磁芯4.8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(zhǎng)度初級(jí)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(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%次級(jí)繞組匝數(shù)輔助繞組匝數(shù)氣隙長(zhǎng)度：Ns = Np / NNcc = ( Vcc + 1 ) X Ns / ( Vo+ Vf )0.4 ? ? ?lg = -?4.9滿載時(shí)峰值電流CCM時(shí)，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(nèi)，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(jí)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(guò)，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：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(jì)算原邊繞組、副邊繞組的線徑，估算窗口占有率導(dǎo)線的橫截面積自然冷卻時(shí)，一般取電流密度 j = 4A / mm

8、2初級(jí)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(dǎo)線線徑不超過(guò)集膚深度的2倍，若超過(guò)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(jì)算繞組的銅損根據(jù)導(dǎo)線的電阻和集膚深度，確定每個(gè)繞組的銅損耗總損耗一定要小丁預(yù)算損耗，溫升經(jīng)驗(yàn)公式800 X ?T Q ?"34 xS°?x 粉4.14變壓器繞線結(jié)構(gòu)及工藝骨架的選?。豪塾?jì)高度、

9、寬度繞法：初級(jí)和次級(jí)交錯(cuò)式(三明治)繞法：漏感小屏蔽層Bobbin5.設(shè)計(jì)實(shí)例一12W開(kāi)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：90Vac265Vac輸入頻率：50Hz輸出電壓：12V輸出電流：1.0A輸出功率：Po=12W開(kāi)關(guān)頻率：50kHz預(yù)估效率：0.75輸入最大功率：Pin=16W變壓器最大溫升：40 C5.2開(kāi)關(guān)管MOSFET和輸出整流二極管開(kāi)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 ?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(jì)算初級(jí)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(dǎo)通時(shí)間和初級(jí)電感量最大導(dǎo)通時(shí)間：Ton max = X Dmax = 9.8 ?變壓器初級(jí)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(jí)匝數(shù)、次級(jí)匝數(shù)、輔助繞組匝數(shù)和氣隙長(zhǎng)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(jiǎng) 140lg =2.6= °.2 mm5.9滿載時(shí)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(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 = 0.42AIpdc = 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(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a = 6.61 / 5務(wù)=6.61 / V50 x 103 = 0.29 cm導(dǎo)線的橫截面積：電流密度j = 4.25A / mm初

14、級(jí)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(jì)算繞組的銅損平均匝長(zhǎng)lav = 23.5 mm各繞組繞線長(zhǎng)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(guò)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(jì)算繞組的鐵損計(jì)算鐵損：查磁芯損耗曲線，PC40在 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Pioss = 0.12 + 0.30 = 0

16、.42 W800 X 0.42經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì) OK?T . = 22C < 40C34 Xv33.5X 60.485.14 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(jié)構(gòu)次級(jí)T初級(jí)T次級(jí)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