開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)方案

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)算初級臨界電流均值和峰值4.6 計(jì)算變壓器初級電感量4.7 選擇變壓器磁芯4.8 計(jì)算變壓器初級匝數(shù)、次級匝數(shù)和氣隙長度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) 12W Flyback 變壓器設(shè)

2、計(jì)/、八1. 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( CCM )( DCM ) 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 高輸入電壓，輕載條件下變壓器工作在非連續(xù)電流模式2. 變壓器設(shè)計(jì)原則Class A 的絕對溫度不超過 90°C； 溫升 安規(guī)對變壓器溫升有嚴(yán)格的規(guī)定Class B不能超過110°C。因此，溫升在規(guī)定范圍內(nèi)，是我們設(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，因此如何將變

3、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： Vacm in 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：n最大溫升：40 °C4.0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)▔航禐閂f4.2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) ON :0.8 Vd > V in max / N + V o比°.8 Vmos > NN min < N < N ma

4、xN=Np MA _(Vo+ Vf) + V in max+ Vf -開關(guān)悴OFF(a)幵關(guān)竹ON1<2Vinmiii4.3確定最低輸入電壓和最大占空比輸入濾波電容：2F3yF/W 最低輸入電壓（假設(shè)tc=3ms ）V in minr-201113最低輸入電壓，最大功率時(shí)，占空比最大Dmaxmax4.4反激變換器的工作過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 -BCM -CCM的過程高輸入電壓時(shí)，負(fù)載從輕載到重載，變壓器一直工作在DCMATpAfpAlpDCMDCMCCM4.5計(jì)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(jì)算Po = 1/

5、3Po max時(shí)，變換器工作在 BCMPo < 1/3Po max時(shí)，變換器工作在 DCMPo > 1/3Po max時(shí)，變換器工作在 CCMI in-avg =變壓器初級臨界電流峰值BCM模式下，最小輸入電壓時(shí)的平均輸入電流Ip1 = Ipk1 =4.6計(jì)算變壓器初級電感量最低輸入電壓，BCM條件下，最大通時(shí)間on maxDmax變壓器初級電感量Lp =4.7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 =Ko是窗口的銅填充系數(shù)：取 Ko=0.4Kc是磁芯填充系數(shù)；對于鐵氧體磁芯取Kc=1Bm是變壓器工作磁通密度，取Bm -j是電流密度，取j =

6、 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、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)Np =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%Ns / (V°+ Vf )次級繞組匝數(shù)Ns = Np / N 輔助繞組匝數(shù) Ng = ( Vcc + 1 )氣隙長度：lg =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，BCM的Ton max等于CCM的 T on maxTon max內(nèi)，電感電流線形上升增量Ip1 =Ip2低輸

7、入電壓，滿載條件下Pon Lp (|2pk2 |2pk0 )變壓器初級峰值電流I pk2 =4.10最大工作磁芯密度Bmaxmax< B sat如果Bmax<Bsat，則證明所選擇的磁芯通過，否則應(yīng)重新選擇4.11計(jì)算變壓器初級電流、副邊電流的有效值梯形波電流的中值：la = Ipk - 電流直流分量：ldc = Dmax la 電流有效值：1 prms = I a電流交流分量：lac = la4.12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 / mm2初級繞組：Sp = lprms ( A ) / 4 ( A / mm2 )

8、副邊繞組：Ss = lsrms ( A ) / 4 ( A / mm 2 )集膚深度5 = 6.61 /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KoAwNp+ Ns+ Ncc線徑及根數(shù)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 總損耗一定要小于預(yù)算損耗，溫升經(jīng)驗(yàn)公式4.14變壓器繞線結(jié)構(gòu)及工藝骨架的選?。豪塾?jì)高度、寬度繞法：初級和次級交錯(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

9、電流：1.0A輸出功率：Po=12W開關(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開關(guān)管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 Vd > Vin max / N + V。0.8100 > 375 / N +120.8 Vmos > N ( Vo + Vf ) + Vin max0.8600 > N( 12 + 0.5 ) +3755.5 < N < 8.45.4最低輸入電壓和最大占

10、空比選擇 Cin=22F最低輸入電壓：Vin min =最大占空比：Dmax = = = 0.495.5計(jì)算初級臨界電流均值和峰值Iin-avg =0.07 AIpi = Ipki = 0.285 A5.6最大導(dǎo)通時(shí)間和初級電感量最大導(dǎo)通時(shí)間：Ton max =Dmax = 9.82.7mH變壓器初級電感量：Lp = 5.7變壓器磁芯面積APp =0.066 cm（鐵氧體磁芯 Bsat =3900G，取 Bm = 1600G ）查表2EF20Ae = 0.335 cm ， Aw = 0.6048 cmAP = Aw * Ae = 0.202 cm> 0.066 cm225.8變壓器初級匝

11、數(shù)、次級匝數(shù)、輔助繞組匝數(shù)和氣隙長度Np =140.7 取 Np = 140 TsNs = 140 / 6 = 23.3 Ts 取 Ns = 23 TsNcc = 1923 / 12.535 Tslg =0.2 mm5.9滿載時(shí)峰值電流、最大工作磁通密度Ipk2 =+ 0.14 = 0.56 ABmax =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 = 1A電流有效值Isr

12、ms = 1.38AIsa = 1.92A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 5 = 6.61 /= 6.61 /= 0.29 cm導(dǎo)線的橫截面積：電流密度j = 4.25A / mm初級繞組：Sp=0.068mm 2 0.25mm > 1P Rdc = 4.523m Q /cm ( 100 C )Vcc繞組:Scc = 0.1/4.2 = 0.024mm 0.1mmx 2P窗口占有率：0.460.4814024.213.60.1252 + 23OK0.22 + 350.0825.12 計(jì)算繞組的銅損平均匝長lav = 2

13、3.5 mm各繞組繞線長度：原邊 Inp = 140 送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 QR pac =2.38 Q副邊R =0.024 Q R =0.038 QVcc繞組電流過小，忽略繞組損耗各繞組損耗:Pu = 0.30W5.13 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鐵損 PFe = 801.5 = 0.12 W估算溫升總損耗Pioss = 0.12 + 0.30 = 0.42 W經(jīng)驗(yàn)公式T= 22C < 40C設(shè)計(jì) OK5.1

14、4 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=2.9mm副邊繞組：Ss = 0.328mm 2 0.40mmK 2P Rdc = 0.892m Q /cm ( 100 C )0.25mm，最大外徑 0.275mm0.40mm，最大外徑 0.52mm0.10mm，最大外徑 0.13mm 總高度W1=9.62mmW2=11.9mm每層35T,每層23T,每層 35T, W3=9.1mm(0.1m> 2P)+絕緣帶=0.275 >4 + 0.52 鬼0.13>+ 0.03>= 2.74 mm繞線結(jié)構(gòu)次級一初級一次級StepWindingMaterialStartTurnsFinishRemark1N1Triple iiisulatioiL 0,40*1A23BN1&N6 with TEFLON Tube.N2.N3.N4.N5 without TEFLON Tube-TAPETAPE W= 12nun (