1、精選文檔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4.9滿載時峰值電流4.10 最大工作磁芯密度Bmax4.11 計算變壓器初級電流、副邊電流的有效值4.12 計算原邊繞組、副邊繞組的線徑，估算窗口占有率4.13 計算繞組的銅損4.14 變壓器繞線結構及工藝5. 實例設計12W Flyback變壓器設計1. 前言 反

2、激變換器優點：電路結構簡潔成本低廉簡潔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電流模式 ( CCM )高輸入電壓，輕載條件下變壓器工作在非連續電流模式 ( DCM )2. 變壓器設計原則 溫升安規對變壓器溫升有嚴格的規定。Class A的確定溫度不超過90°C；Class B不能超過110°C。因此，溫升在規定范圍內，是我們設計變壓器必需遵循的準則。 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，因此如何將變壓器的價格，體積和品質最優化

3、，是開關電源設計者努力的方向。3. 系統輸入規格輸入電壓：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預估效率：最大溫升：404.0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ON ： 0.8·VD > Vin max / N + Vo開關 OFF ： 0.8·VMOS > N·( Vo+ VF) + Vin max匝比 ： Nmin &

4、lt; N < Nmax 4.3 確定最低輸入電壓和最大占空比輸入濾波電容：2µF3µF/W最低輸入電壓 ( 假設tc=3ms )Vin min = (2Vac min)2-2 × Pin ( T2 - tc )Cin最低輸入電壓，最大功率時，占空比最大DmaxDmax = N ( Vo+ VF )N Vo+ VF + Vin min4.4 反激變換器的工作過程分析低輸入電壓時，負載從輕載到重載，變壓器經受從DCM BCM CCM的過程高輸入電壓時，負載從輕載到重載，變壓器始終工作在DCM4.5 計算初級臨界電流均值和峰值依據最小輸入電壓，最大輸出功率(Po

5、max)的條件計算Po = 1/3Po max時，變換器工作在BCMPo < 1/3Po max時，變換器工作在DCMPo > 1/3Po max時，變換器工作在CCMBCM模式下，最小輸入電壓時的平均輸入電流 Iin-avg = 13 PinVin min變壓器初級臨界電流峰值 Ip1 = Ipk1 = 2 × Iin-avgDmax4.6 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Ton max = 1fs × Dmax變壓器初級電感量Lp = Vin min × Ton maxIp14.7 選擇變壓器磁芯基于輸出功率和開關頻率計算

6、面積乘積，依據面積乘積來選擇磁芯APp = Po × 1062 × × Ko × Kc × fs × Bm × j Ko是窗口的銅填充系數：取 Ko=0.4Kc是磁芯填充系數；對于鐵氧體磁芯取 Kc=1Bm是變壓器工作磁通密度，取 Bm12 Bsatj是電流密度，取 j = 4.2A/mm2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、幫助繞組匝數和氣隙長度初級繞組的匝數Np = Vin min × ton maxAe × Bm×108增加或者減小匝

7、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%次級繞組匝數 Ns = Np / N幫助繞組匝數 Ncc = ( Vcc + 1 ) × Ns / ( Vo+ VF )氣隙長度 : lg = 0.4 × Ae × N2Lp4.9 滿載時峰值電流CCM時，Ton max固定不變輸入電壓不變，BCM的Ton max等于CCM的Ton maxTon max內，電感電流線形上升增量 Ip1 = Vin min × Ton maxLp = Ip2低輸入電壓，滿載條件下 Po = 12 ×&#

8、215; Lp × (I2pk2 I2pk0 ) × fs變壓器初級峰值電流 Ipk2 = Po / Vin min × Dmax+ IP224.10 最大工作磁芯密度BmaxBmax = Lp × Ipk2Ae × Np×108 < Bsat假如Bmax<Bsat，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 ：Ia = Ipk - I2電流直流重量 ：Idc = Dmax × Ia電流有效值 ： Iprms = IaDmax電流溝通重量 ：Iac = I

9、aDmax(1-Dmax)4.12 計算原邊繞組、副邊繞組的線徑，估算窗口占有率導線的橫截面積自然冷卻時，一般取電流密度 j = 4A / mm2初級繞組：Sp = Iprms ( A ) / 4 ( A / mm2 )副邊繞組：Ss = Isrms ( A ) / 4 ( A / mm2 )線徑及根數集膚深度 = 6.61 / fs cm導線線徑不超過集膚深度的2倍，若超過集膚深度，則需多股并繞依據安規要求考慮加肯定寬度的擋墻窗口占有率 K0Aw Np ××Rp2 + Ns ××Rs2 + Ncc ××Rcc24.13計算繞組的銅損

10、依據導線的電阻和集膚深度，確定每個繞組的銅損耗總損耗肯定要小于預算損耗，溫升閱歷公式T 800 × Ploss34 × Ae×Aw4.14變壓器繞線結構及工藝骨架的選取 ：累計高度、寬度繞法 ： 初級和次級交叉式(三明治)繞法：漏感小5. 設計實例12W開關電源變壓器設計5.1 系統輸入規格輸入電壓：90Vac265Vac輸入頻率：50Hz輸出電壓：12V輸出電流：1.0A輸出功率：Po=12W開關頻率：50kHz預估效率：0.75輸入最大功率：Pin=16W變壓器最大溫升：405.2 開關管MOSFET和輸出整流二極管開關管MOSFET耐壓: Vmos=600V

11、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 VD > Vin max / N + Vo è 0.8 × 100 > 375 / N +120.8 Vmos > N ( Vo + VF ) + Vin max è 0.8 × 600 > N × ( 12 + 0.5 ) +3755.5 < N < 8.4取 N = 65.4 最低輸入電壓和最大占空比選擇Cin=22µF最低輸入電壓：Vin min = (2Vac min)2- 2 × P

12、in ( T2 - tc)Cin = 1272- 2 ×16 ×7 × 10-322 × 10-6 77V最大占空比 ：Dmax = N (Vo+ VF )N Vo+ VF + Vin min = 6 × 12.56 ×12.5+77 = 0.495.5 計算初級臨界電流均值和峰值Iin-avg = 13 PinVin min = 163 ×77 = 0.07 AIp1 = Ipk1 = 2 × Iin-avgDmax = 2 ×0.070.49 = 0.285 A5.6最大導通時間和初級電感量最大導通時

13、間 ： Ton max = 1fs × Dmax = 9.8 s變壓器初級電感量 ： Lp = Vin min×Ton maxIp1 = 77 ×9.8 × 10-60.285 2.7mH5.7 變壓器磁芯面積APp = 12 × 1062 ×0.75 ×0.42 × 50 × 103 ×1600 ×4 = 0.066 cm2( 鐵氧體磁芯 Bsat = 3900G , 取 Bm = 1600G )查表EF20 Ae = 0.335 cm2，Aw = 0.6048 cm2 AP = A

14、w * Ae = 0.202 cm2 > 0.066 cm25.8 變壓器初級匝數、次級匝數、幫助繞組匝數和氣隙長度Np = 77 ×9.8 × 10-60.335 ×1600×108 = 140.7 取 Np = 140 TsNs = 140 / 6 = 23.3 Ts 取 Ns = 23 Ts Ncc = 19 × 23 / 12.5 35 Tslg = 0.4 ×33.5 × 14022.6 = 0.2 mm5.9 滿載時峰值電流、最大工作磁通密度Ipk2 = Po / Vinmin×Dmax + Ip

15、2 = 1677 ×0.49 + 0.14 = 0.56 ABmax = Lp ×Ipk2Ae ×Np = 2.6×10-3 × 0.560.335 ×140×108 = 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 Ipa = 0.42A 電流有效值 Iprms = 0.29A電流直流值 Ipdc = 0.20A 電流溝通值 Ipac = 0.208A副邊各電流：電流直流值 Isdc = 1A 電流有效值 Isrms = 1.38A電流中值 Isa = 1.92A 電流溝通

16、值 Iac = 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 = 6.61 / fs = 6.61 / 50 × 103 = 0.29 cm導線的橫截面積：電流密度 j = 4.25A / mm2初級繞組：Sp=0.068mm20.25mm ×1PRDC = 4.523m/cm ( 100 )副邊繞組：Ss = 0.328mm20.40mm×2PRDC = 0.892m/cm ( 100 )Vcc繞組：Scc = 0.1/4.2 = 0.024mm2 0.1mm×2P窗口占有率：0.4 × 60.48 140

17、 × × 0.1252 + 23 × × 0.22 + 35 ×× 0.08224.2 13.6 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 lNp = 140 × 23.5 = 329 cm副邊 lNs = 23 × 23.5 = 54.0 cm各繞組直、溝通電阻：原邊Rpdc=1.45 Rpac=2.38副邊Rsdc=0.024 Rsac=0.038Vcc繞組電流過小，忽視繞組損耗各繞組損耗：Pu = 0.30W è Pp= Iprms 2× Rpdc+ Ipac2 × Rpac=0.22WPs= Isrms 2× Rsdc+ Isac2 × Rsac=0.08W5.13 計算繞組的鐵損計算鐵損：查磁芯損耗曲線，PC40在 B = 0.15T時為80mW / cm3鐵損 PFe = 80 × 1.5 = 0.12 W估算溫升總損耗 Ploss = 0.12 + 0.30 = 0.42 W閱歷公式 T 800 × 0.4234 × 33.5 ×6