變壓器詳細計算開關電源

1、二.反激式變換器(Flyback Converter)的工作原理1).反激式變換器的電路結構如圖一.2).當開關管Q1導通時,其等效電路如圖二(a)及在導通時初級電流連續(xù)時的波形,磁化曲線如圖二(b). T1 D1 V0Vdc Ci Np Ns C0PWM控制電路 Q1反饋控制電路圖一 Vdc Ip Lp IoNp Ns C0 圖二(a)1 / 12 Ip Ip2 Ip1 B t Bs Ton=D*T Bw Br 圖二(b) H當Q1導通,T1之初級線圈漸漸地會有初級電流流過,能量就會儲存在其中.由于變壓器初級與次級側之線圈極性是相反的,因此二極管D1不會導通,輸出功率則由Co來提供.此時變壓

2、器相當于一個串聯電感Lp,初級線圈電流Ip可以表示為:ip(t)=ip(0)+1/Lp*0DTVdc*dtVdc=Lp*dip/dt此時變壓器磁芯之磁通密度會從剩磁Br增加到工作峰值Bw.3.當Q1截止時, 其等效電路如圖三(a)及在截止時次級電流波形,磁化曲線如圖三(b). Vdc Ls Is IoNp Ns C0 Q1 圖三(a) Is Is2 Is1 B t Bs Ton Toff=(1-D)*T Bw Br 圖三(b) H當Q1截止時,變壓器之安匝數(Ampere-Turns NI)不會改變,因為B并沒有相對的改變.當B向負的方向改變時(即從Bw降低到Br),在變壓器所有線圈之電壓極性

3、將會反轉,并使D1導通,也就是說儲存在變壓器中的能量會經D1,傳遞到Co和負載上.此時次級線圈兩端電壓為:Vs(t)=Vo+Vf (Vf為二極管D1的壓降).次級線圈電流:is(t)=is(DT)-1/Ls*dtTVs(t)*dt Lp=(Np/Ns)2*Ls (Ls為次級線圈電感量)由于變壓器能量沒有完全轉移,在下一次導通時,還有能量儲存在變壓器中,次級電流并沒有降低到0值,因此稱為連續(xù)電流模式或不完全能量傳遞模式(CCM).三.CCM模式下反激變壓器設計的步驟1. 確定電源規(guī)格.1).輸入電壓范圍Vin=85265Vac;2).輸出電壓/負載電流:Vout1=5V/10A,Vout2=12

4、V/1A; 3).變壓器的效率=0.902. 工作頻率和最大占空比確定.取:工作頻率fosc=100KHz, 最大占空比Dmax=0.45.T=1/fosc=10us.Ton(max)=0.45*10=4.5usToff=10-4.5=5.5us.3. 計算變壓器初與次級匝數比n(Np/Ns=n). 最低輸入電壓Vin(min)=85*2-20=100Vdc(取低頻紋波為20V). 根據伏特-秒平衡,有: Vin(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1-Dmax)*n. n= Vin(min)* Dmax/ (Vout+Vf)*(1-Dmax)n=100*0.45/(5+1.0)*0

5、.55=13.644. 變壓器初級峰值電流的計算. 設+5V輸出電流的過流點為120%;+5v和+12v整流二極管的正向壓降均為1.0V.+5V輸出功率Pout1=(V01+Vf)*I01*120%=6*10*1.2=72W+12V輸出功率Pout2=(V02+Vf)*I02=13*1=13W 變壓器次級輸出總功率Pout=Pout1+Pout2=85W如圖四, 設Ip2=k*Ip1, 取k=0.4 Ip1/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout/ Ip1 Ip1=2*Pout/(1+k)*Vin(min)*Dmax Ip2 =2*85/0.90*(1+0.

6、4)*100*0.45 t =3.00A tonIp2=0.4*Ip1=1.20A ( 圖四)5. 變壓器初級電感量的計算. 由式子Vdc=Lp*dip/dt,得: Lp= Vin(min)*Ton(max)/Ip1-Ip2=100*4.5/3.00-1.20=250uH6.變壓器鐵芯的選擇.根據式子Aw*Ae=Pt*106/2*ko*kc*fosc*Bm*j*,其中:Pt(變壓器的標稱輸出功率)= Pout=85WKo(窗口的銅填充系數)=0.4 Kc(磁芯填充系數)=1(對于鐵氧體), 變壓器磁通密度Bm=1500 Gs j(電流密度): j=5A/mm2;Aw*Ae=85*106/2*0

7、.4*1*100*103*1500Gs*5*0.90=0.157cm4考慮到繞線空間,選擇窗口面積大的磁芯,查表:EER2834S鐵氧體磁芯的有效截面積Ae=0.854cm2它的窗口面積Aw=148mm2=1.48cm2EER2834S的功率容量乘積為Ap =Ae*Aw=1.48*0.854=1.264cm4 0.157cm4故選擇EER2834S鐵氧體磁芯.7.變壓器初級匝數及氣隙長度的計算.1).由Np=Lp*(Ip1-Ip2)/Ae*Bm,得:Np=250*(3.00-1.20)/85.4*0.15 =35.12 取Np=36由Lp=uo*ur*Np2*Ae/lg,得:氣隙長度lg=uo

8、*ur*Ae*Np2/Lp=4*3.14*10-7*1*85.4mm2*362/(250.0*10-3mH)=0.556mm 取lg=0.6mm2). 當+5V限流輸出,Ip為最大時(Ip=Ip1=3.00A),檢查Bmax.Bmax=Lp*Ip/Ae*Np =250*10-6*3.00/85.4 mm2*36 =0.2440T=2440Gs 3000Gs因此變壓器磁芯選擇通過.8. 變壓器次級匝數的計算.Ns1(5v)=Np/n=36/13.64=2.64 取Ns1=3Ns2(12v)=(12+1)* Ns1/(5+1)=6.50 取Ns2=7故初次級實際匝比:n=36/3=129.重新核算

9、占空比Dmax和Dmin.1).當輸入電壓為最低時: Vin(min)=100Vdc.由Vin(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1-Dmax)*n,得: Dmax=(Vout+Vf)*n/(Vout+Vf)*n+ Vin(min)=6*12/6*12+100=0.4182).當輸入電壓為最高時: Vin(max)=265*1.414=374.7Vdc.Dmin=(Vout+Vf)*n/(Vout+Vf)*n+ Vin(max) =6*12.00/6*12.00+374.7=0.1610. 重新核算變壓器初級電流的峰值Ip和有效值Ip(rms).1).在輸入電壓為最低Vin(min

10、)和占空比為Dmax條件下,計算Ip值和K值.(如圖五)設Ip2=k*Ip1.實際輸出功率Pout=6*10+13*1=73W1/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout/ (1) K=1-Vin(min)* Ton(max)/(Ip1*Lp) (2) 由(1)(2)得:Ip1=1/2*2*Pout*T/* Vin(min)*Ton(max)+ Vin(min)* Ton(max)/Lp =0.5*2*73*10/0.90*100*4.18+100*4.18/250.0=2.78A K=1-100*4.18/2.78*250=0.40Ip2=k*Ip1=2.7

11、8*0.40=1.11A2).初級電流有效值Ip(rms)=Ton/(3T)*(Ip12+Ip22+Ip1*Ip2)1/2 =0.418/3*(2.782+1.112+2.78*1.11) 1/2 =1.30A Ip 2.78A Ip1 Ip2(1.11A) t ton (圖五) 11. 次級線圈的峰值電流和有效值電流計算:當開關管截止時, 變壓器之安匝數(Ampere-Turns NI)不會改變,因為B并沒有相對的改變.因此開關管截止時,初級峰值電流與匝數的乘積等于次級各繞組匝數與峰值電流乘積之和(Np*Ip=Ns1*Is1p+Ns2*Is2p).由于多路輸出的次級電流波形是隨各組負載電流的

12、不同而不同, 因而次級電流的有效值也不同.然而次級負載電流小的回路電流波形,在連續(xù)時接近梯形波,在不連續(xù)時接近三角波,因此為了計算方便,可以先計算負載電流小的回路電流有效值.1).首先假設+12V輸出回路次級線圈的電流波形為連續(xù),電流波形如下(圖一): Is2(+12v) Is2(+12v) Is2p Is1p Is2b t t t Ton toff Ton toff (圖六) (圖七)1/2*Is2p +Is2b*toff/T=I02 (3)Ls1*Is2p Is2b/toff=V02+Vf (4)Ls2/Lp=(Ns2/Np)2 (5)由(3)(4)(5)式得:Is2p=1/2*2*I02

13、/1-D+V02+Vf*1-D*T*Np2/Ns22*Lp=0.5*2*1/1-0.418+12+1*1-0.418*10*362/72*250=5.72AIs2b =I01/1-D-1/2*V01+Vf*1-D*Np2/Ns22*Lp =1/0.582-0.5*13*0.582*10*362/72*250 =-2.28A 0因此假設不成立.則+12V輸出回路次級線圈的電流波形為不連續(xù), 電流波形如上(圖七).令+12V整流管導通時間為t.將Is2b=0代入(3)(4)(5)式得:1/2*Is2p*t/T=I02 (6) Ls1*Is2p/t=V02+Vf (7) Ls2/Lp=(Ns2/Np

14、)2 (8) 由(6)(7)(8)式得:Is2p=(V02+Vf)*2*I02*T*Np2/Lp*Ns221/2=2*1*12+1*10*362/72*250 1/2=5.24At=2*I02*T/ Is2p=2*1*10/5.24=3.817us2).+12V輸出回路次級線圈的有效值電流:Is2(rms)= t/(3T)1/2*Is2p =3.817/3*10 1/2*5.24=1.87A3).+5v輸出回路次級線圈的有效值電流計算:Is1rms= Is2(rms)*I01/I02=1.87*10/1=18.7A12.變壓器初級線圈和次級線圈的線徑計算. 1).導線橫截面積:前面已提到,取電

15、流密度j=5A/mm2變壓器初級線圈:導線截面積= Ip(rms)/j=1.3A/5A/mm2=0.26mm2變壓器次級線圈:(+5V)導線截面積= Is1(rms)/j=18.7A/5A/mm2=3.74 mm2(+12V)導線截面積= Is2(rms)/j=1.87A/5A/mm2=0.374mm22).線徑及根數的選取.考慮導線的趨膚效應,因此導線的線徑建議不超過穿透厚度的2倍.穿透厚度=66.1*k/(f)1/2 k為材質常數,Cu在20時k=1. =66.1/(100*103)1/2=0.20因此導線的線徑不要超過0.40mm.由于EER2834S骨架寬度為22mm,除去6.0mm的

16、擋墻寬度,僅剩下16.0mm的線包寬度.因此所選線徑必須滿足每層線圈剛好繞滿.3).變壓器初級線圈線徑:線圈根數=0.26*4/0.4*0.4*3.14=0.26/0.1256=2取0.40*2根并繞18圈,分兩層串聯繞線.4).變壓器次級線圈線徑:+5V: 線圈根數=3.74/0.1256=30取0.40*10根并繞3圈, 分三層并聯繞線.+12V: 線圈根數=0.374/0.1256=3取0.40*1根并繞7圈, 分三層并聯繞線.5).變壓器繞線結構及工藝.為了減小變壓器的漏感,建議采取三文治繞法,而且采取該繞法的電源EMI性能比較好.擋墻3.0mm0.4*1*181/2Np屏蔽層Ns1:0.4*10*3Ns2: 0.4*1*7Ns1 Ns2Ns1 Ns2屏蔽層