電源變壓器的設(shè)計(jì)

1、90W PC電源變壓器的設(shè)計(jì)1、 電源參數(shù)PC電源為4路輸出，分別為+5V，+12V，+3.3V和-12V。電路圖如下：電路拓?fù)錇閱味苏ぁ?5V和+12V為交流疊加。+3.3V由+5V的繞組上引出，用磁放大器單獨(dú)控制。-12V和+12V的輸出濾波電感相耦合。構(gòu)成近似的反激電路。所以，變壓器的直接輸出只有+12V和+5V。電路參數(shù)如下：(1) 電源開關(guān)頻率fT：70kHz；(2) 電源的負(fù)載關(guān)系如下圖：(3) 變壓器輸出功率為Po=90W。(4) 輸入電壓范圍2、 變壓器的設(shè)計(jì)(1) 磁芯材料的選擇公司所用的磁芯材料大部分為TDK的PC40磁芯材料，或者是與之性能相近的其他廠商的磁材。下面的設(shè)

2、計(jì)以PC40為基礎(chǔ)。(2) AP法確定磁芯的尺寸由PC40的磁芯損耗曲線（下圖），可以直到，當(dāng)比損耗為100mW/cm3時，所對應(yīng)的磁通擺幅B=0.15T。則實(shí)際的正激變換器的磁通擺幅是B的兩倍，即B=0.3T。根據(jù)南航，趙修科的開關(guān)電源中的磁性元件一書中的AP值公式（如下圖），可以計(jì)算：其中Po=100W（為了留出余量，將90V增加至100W），B=0.3T，fT=70kHz，K=0.014。帶入公式計(jì)算得AP=0.2374cm4。根據(jù)TDK公司的E系列磁芯表，如下：可知EER25.2-Z的磁芯有效截面積Ae=44.8mm2，窗口面積可以大約估計(jì)為F×(E-D)，就是2F×

3、;(F-D)/2。則Aw76.26mm2。則此磁芯的AP=Ae×Aw3416.448mm40.3416cm4。大于要求的0.2374的尺寸，而且有足夠的余量?？梢赃x擇這個磁芯。最后決定用EER25.5磁芯。(3) 計(jì)算熱阻Rth，確定不超過溫升要求的損耗限制Plim根據(jù)南航，趙修科開關(guān)電源中的磁性元件一書中的公式，如下：并有Aw=0.7626cm4，可以算出EER25.5磁芯的熱阻Rth47.2069/W。假設(shè)允許溫升為80，則允許損耗為Plim=T/Rth=80/47.2069=1.6947W。(4) 分配鐵損和銅損，第二次確定B將上面計(jì)算的1.6947W的總損耗分配，Pfe=Pc

4、u=0.85W則此時，磁芯的單位體積鐵損的比損耗為：Pfe/V。由規(guī)格書查得，EER25.5的有效體積為2160mm3，則比損耗為850mW/2.16cm3=393.5185mW/cm3。這時，從PC40比損耗曲線上查得B=220mT。B=2B=0.44T。PC40在100攝氏度時的飽和磁場密度Bs=0.39T。顯的有點(diǎn)高。從而重新分配鐵損和銅損：Pfe=0.4W，Pcu=1.3W。此時的比損耗為400mW/2.16cm3=185.1852mW/cm3。所對應(yīng)的B=0.18T。如下圖：則B=2B=0.36T，小于100時的飽和磁通密度Bs=0.39T。(5) 確定+5V的匝數(shù)N5根據(jù)開關(guān)電源中

5、的磁性元件一書中的公式其中，Uo=5.57V（5+0.57，0.57為次級肖特基STPS2045的導(dǎo)通壓降）。B=0.36T，Ae=0.448cm2，fT=70K。帶入公式可得：N5=4.9337匝。取整數(shù)為5匝。所以，相對應(yīng)的+12V輸出應(yīng)該是12匝。因?yàn)槭墙涣鳢B加，從而+12V的輸出線圈只需要繞7匝。(6) 重新計(jì)算N5=5時所對應(yīng)的B將數(shù)據(jù)帶入到上述公式中去可以得到B=0.3552T。與0.36T相差不大。所以，磁芯損耗基本不變，還為0.4W。(7) 確定初級匝數(shù)N1首先規(guī)定占空比D的最大值為20%。則由正激變換器的輸出/輸入電壓關(guān)系可以得到由輸入電壓范圍可以知道，不管是倍壓還是230V

6、的直接輸入，最低電壓應(yīng)該是180VAC（倍壓時為90*2=180）。但是，倍壓電路不會到達(dá)最高的2倍。而是在1.9倍左右，而且經(jīng)過整流濾波后，輸入的直流電壓最高為交流的1.37倍（與輸入濾波電容有關(guān)），1.37倍為實(shí)際測量值。所以，Uin最小值為90*1.9*1.37=234.37V。此時最大占空比為20%。則將D=0.2，N5=5，Uin=234.37V，Uo=5.57V帶入上公式有N1=42.0592V。取N1=42匝。(8) 確定初級和次級直流和交流電流由負(fù)載表假設(shè)以下的負(fù)載為最壞情況：3.3V-6A；12V-3A；5V-8A；-12V-0.1A?？傒敵龉β蕿?7W?？傒敵鲭娏鳛?7.1

7、A。因?yàn)?12V、3.3V和-12V，的電流總要流過+5V的線圈。所以，相當(dāng)于+5V的線圈要流過17.1A的電流。而且此時，電路出于CCM模式。變壓器上的電流波形為梯形波。根據(jù)開關(guān)電源中的磁性元件中的計(jì)算梯形波直流電流和交流電流的公式：可以得到+5V線圈電流直流分量可以得到+5V線圈電流交流分量則，原邊電流的直流和交流分量分別為：(9) 確定初級線徑由于，此PC電源制冷方式為風(fēng)冷，且功率不大。所以，可以將電流密度J取的大些，這里取10A/mm2。這樣，原邊需要的線的截面積為A1=I1dc/J=0.08095mm2。查漆包線的規(guī)格表有，可以選用外徑為0.4mm的漆包線。分兩層繞，三明治繞法。在7

8、0時，銅的穿透深度為0.269mm，大于0.4漆包線的半徑，則可以使用。但是，查EER磁芯的骨架手冊，如下圖：可知，EER25.5骨架的C的長度為10.05mm，根據(jù)安規(guī)的要求，在骨架兩邊需要加2mm的擋墻。則剩下的繞線空間只有6.05mm。0.4的漆包線，一層繞21匝，需要的空間為0.4*21=8.4mm?？梢娛抢@不下的。沒有辦法，只好改變線徑。最后選用0.25的漆包線。完全可以繞下。關(guān)鍵是看其銅耗的大小。(10) 確定初級線圈的銅耗Pcu10.25漆包線的電阻系數(shù)0.25為422*10-6/mm，而骨架的平均繞線長度L為46.2mm，共繞了42匝，則其直流電阻Rdc1=0.25*N1*L=

9、0.7166。則此時的直流銅耗Pcudc1=I1dc*I1dc*Rdc1=0.1174W。再根據(jù)開關(guān)電源中的磁性元件中計(jì)算交流電阻的方法，確定初級的交流電阻R1ac。首先計(jì)算H。H的計(jì)算公式如下：對于0.25的漆包線，只有一根，則，d=0.23mm，s=0.255mm，=0.269mm。最終可以計(jì)算處參數(shù)Q。Q=0.83*0.23*(0.23/0.255)0.5/0.269=0.6739對照下圖，求得交流電阻與直流電阻的比值Fr。如圖：此時，F(xiàn)r=1。（對應(yīng)的層數(shù)為1層，因?yàn)槭侨髦卫@法）。則R1ac=R1dc=0.7166。則Pcuac1=I1ac*I1ac*Rac1=0.4696W。(11

10、) 第一次確定+5V繞線線徑A5=I5ac/J=0.68mm2。查漆包線的規(guī)格表，可知，可用1根1.0的漆包線。但是，漆包線的半徑大于銅的穿透深度。這樣，繞線的交流損耗會比較大。1.0漆包線的電阻系數(shù)1.0為25.8*10-6/mm，而骨架的平均繞線長度L為46.2mm，共繞了5匝，則其直流電阻Rdc5=1.0*N5*L=0.0059598。則此時的直流銅耗Pcudc5=I5dc*I5dc*Rdc5=0.068895W。再計(jì)算H。此時，d=0.93mm，s=0.99。則H=0.7451。則Q=H/=2.8.此時Fr=2.7，如圖：則Rac5=2.7* Rdc5=0.01609146則Pcuac

11、5=I5ac*I5ac*Rac5=0.7441W。可見，此繞組銅損的交流分量和直流分量相差很懸殊。并不是最優(yōu)的。但是，如果將線徑加粗，則銅耗的直流分量會減小一點(diǎn)，但交流分量會大大增加。最終的銅耗會增加。嘗試用兩根0.6的漆包線繞制。(12) 第二次確定+5V繞組線徑和銅耗由于只有6mm的繞線空間，選擇用2根0.6的漆包線進(jìn)行繞制。0.6漆包線的電阻系數(shù)0.6為73.7*10-6/mm，而骨架的平均繞線長度L為46.2mm，共繞了5匝，則其直流電阻Rdc5=0.6*N5*L/2（兩股并繞）=0.00851235。則此時的直流銅耗Pcudc5=I5dc*I5dc*Rdc5=0.098402766W

12、。再計(jì)算H。由于是兩股并繞，所以，我用的方法是，先計(jì)算一根導(dǎo)線上的交流損耗，然后加倍后為兩根導(dǎo)線并繞的總交流損耗。此時，每根導(dǎo)線上流過一半的交流電流。此時，d=0.55mm，s=0.6。則H=0.43707。則Q=H/=1.6248.此時Fr1.4左右，如圖：則R5dc=0.6*N5*L*1.4= 0.02383458而I5ac=0.5*I5ac=3.4A，所以P5cuac=I5ac*I5ac*R5dc=0.2755277448W。從而，P5cuac =2*P5cuac=0.5510554896W。降低了大約0.15W的損耗。開關(guān)電源中的磁性元件中說，F(xiàn)r=1.5時是較優(yōu)的，所以已經(jīng)達(dá)到比較優(yōu)

13、的狀態(tài)了。從而決定用兩根0.6的線并繞。(13) 確定+12V繞線線徑以及損耗。+12V最大流過6A的電流。則+12V電流的直流和交流分量分別為：仍然假設(shè)電流密度J為10A/mm2。則12V所需要的線徑A12=0.24mm2。所對應(yīng)的漆包線為0.6。由于是交流疊加，所以，12V繞7匝。則12V繞組的直流電阻為：R12dc=0.6*L*N12=0.02198。所以P12cudc=I12dc*I12dc*R12dc=0.03165W。上面已經(jīng)計(jì)算過，此時的Fr=1.4.則R12ac=1.4* R12dc=0.03077。則P12cuac=I12ac*I12ac*R12ac=0.17724672W(14) 計(jì)算總銅耗計(jì)算和總溫升Pcu= P1cuac+P1cud