开关电源变压器设计【学术参考】

开关电源变压器设计1. 前言2. 变压器设计原则3. 系统输入规格4. 变压器设计步骤4.1选择开关管和输出整流二极管4.2计算变压器匝比4.3确定最低输入电压和最大占空比4.4反激变换器的工作过程分析4.5计算初级临界电流均值和峰值4.6计算变压器初级电感量4.7选择变压器磁芯4.8计算变压器初级匝数、次级匝数和气隙长度4.9满载时峰值电流4.10 最大工作磁芯密度Bmax4.11 计算变压器初级电流、副边电流的有效值4.12 计算原边绕组、副边绕组的线径，估算窗口占有率4.13 计算绕组的铜损4.14 变压器绕线结构及工艺5. 实例设计12W Flyback变压器设计1. 前言 反激变换器优点：电路结构简单成本低廉容易得到多路输出应用广泛，比较适合100W以下的小功率电源 设计难点变压器的工作模式随着输入电压及负载的变化而变化低输入电压，满载条件下变压器工作在连续电流模式 ( CCM )高输入电压，轻载条件下变压器工作在非连续电流模式 ( DCM )2. 变压器设计原则 温升安规对变压器温升有严格的规定。Class A的绝对温度不超过90°C；Class B不能超过110°C。因此，温升在规定范围内，是我们设计变压器必须遵循的准则。 成本开关电源设计中，成本是主要的考虑因素，而变压器又是电源系统的重要组成部分，因此如何将变压器的价格，体积和品质最优化，是开关电源设计者努力的方向。3. 系统输入规格输入电压：Vacmin Vacmax输入频率：fL输出电压：Vo输出电流：Io工作频率：fS输出功率：Po预估效率：最大温升：404.0变压器设计步骤4.1选择开关管和输出整流二极管开关管MOSFET:耐压值为Vmos输出二极管:肖特基二极管最大反向电压VD正向导通压降为VF4.2计算变压器匝比考虑开关器件电压应力的余量(Typ.=20%)开关ON ： 0.8·VD > Vin max / N + Vo开关 OFF ： 0.8·VMOS > N·( Vo+ VF) + Vin max匝比 ： Nmin < N < Nmax 教=学4.3 确定最低输入电压和最大占空比输入滤波电容：2µF3µF/W最低输入电压 ( 假设tc=3ms )Vin min = 最低输入电压，最大功率时，占空比最大DmaxDmax = 4.4 反激变换器的工作过程分析低输入电压时，负载从轻载到重载，变压器经历从DCM BCM CCM的过程高输入电压时，负载从轻载到重载，变压器一直工作在DCM4.5 计算初级临界电流均值和峰值按照最小输入电压，最大输出功率(Pomax)的条件计算Po = 1/3Po max时，变换器工作在BCMPo < 1/3Po max时，变换器工作在DCMPo > 1/3Po max时，变换器工作在CCMBCM模式下，最小输入电压时的平均输入电流 Iin-avg = 变压器初级临界电流峰值 Ip1 = Ipk1 = 4.6 计算变压器初级电感量最低输入电压，BCM条件下，最大通时间Ton max = Dmax变压器初级电感量Lp = 4.7 选择变压器磁芯基于输出功率和开关频率计算面积乘积，根据面积乘积来选择磁芯APp = Ko是窗口的铜填充系数：取 Ko=0.4Kc是磁芯填充系数；对于铁氧体磁芯取 Kc=1Bm是变压器工作磁通密度，取 Bmj是电流密度，取 j = 4.2A/mm2考虑绕线空间，尽量选择窗口面积大的磁芯，查表选择Aw和Ae4.8 计算变压器初级、次级匝数、辅助绕组匝数和气隙长度初级绕组的匝数Np = 增加或者减小匝数只会分别引起磁芯损耗减小或增加在100kHz条件下，损耗与B2.86成正比，匝数减小5%会使磁芯损耗增加15%次级绕组匝数 Ns = Np / N辅助绕组匝数 Ncc = ( Vcc + 1 ) Ns / ( Vo+ VF )气隙长度 : lg = 4.9 满载时峰值电流CCM时，Ton max固定不变输入电压不变，BCM的Ton max等于CCM的Ton maxTon max内，电感电流线形上升增量 Ip1 = = Ip2低输入电压，满载条件下 Po = Lp(I2pk2 I2pk0 ) fs变压器初级峰值电流 Ipk2 = 4.10 最大工作磁芯密度BmaxBmax = < Bsat如果Bmax<Bsat，则证明所选择的磁芯通过，否则应重新选择4.11 计算变压器初级电流、副边电流的有效值梯形波电流的中值 ：Ia = Ipk - 电流直流分量 ：Idc = Dmax Ia电流有效值 ： Iprms = Ia电流交流分量 ：Iac = Ia4.12 计算原边绕组、副边绕组的线径，估算窗口占有率导线的横截面积自然冷却时，一般取电流密度 j = 4A / mm2初级绕组：Sp = Iprms ( A ) / 4 ( A / mm2 )副边绕组：Ss = Isrms ( A ) / 4 ( A / mm2 )线径及根数集肤深度 = 6.61 / cm导线线径不超过集肤深度的2倍，若超过集肤深度，则需多股并绕根据安规要求考虑加一定宽度的挡墙窗口占有率 K0Aw Np + Ns + Ncc4.13计算绕组的铜损根据导线的电阻和集肤深度，确定每个绕组的铜损耗总损耗一定要小于预算损耗，温升经验公式T 4.14变压器绕线结构及工艺骨架的选取 ：累计高度、宽度绕法 ： 初级和次级交错式(三明治)绕法：漏感小5. 设计实例12W开关电源变压器设计5.1 系统输入规格输入电压：90Vac265Vac输入频率：50Hz输出电压：12V输出电流：1.0A输出功率：Po=12W开关频率：50kHz预估效率：0.75输入最大功率：Pin=16W变压器最大温升：405.2 开关管MOSFET和输出整流二极管开关管MOSFET耐压: Vmos=600V输出二极管：反向压降VD=100V ( 正向导通压降VF=0.5V )5.3计算变压器匝比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 最低输入电压和最大占空比选择Cin=22µF最低输入电压：Vin min = = 最大占空比 ：Dmax = = = 0.495.5 计算初级临界电流均值和峰值Iin-avg = = = 0.07 AIp1 = Ipk1 = = = 0.285 A5.6最大导通时间和初级电感量最大导通时间 ： Ton max = Dmax = 9.8 变压器初级电感量 ： Lp = = 2.7mH5.7 变压器磁芯面积APp = = 0.066 cm2( 铁氧体磁芯 Bsat = 3900G , 取 Bm = 1600G )查表EF20 Ae = 0.335 cm2，Aw = 0.6048 cm2 AP = Aw * Ae = 0.202 cm2 > 0.066 cm25.8 变压器初级匝数、次级匝数、辅助绕组匝数和气隙长度Np = = 140.7 取 Np = 140 TsNs = 140 / 6 = 23.3 Ts 取 Ns = 23 Ts Ncc = 19 23 / 12.5 35 Tslg = = 0.2 mm5.9 满载时峰值电流、最大工作磁通密度Ipk2 = + = + 0.14 = 0.56 ABmax = = = 3100G < 3900G5.10 变压器初级电流、副边电流的有效值原边各电流：电流中值 Ipa = 0.42A 电流有效值 Iprms = 0.29A电流直流值 Ipdc = 0.20A 电流交流值 Ipac = 0.208A副边各电流：电流直流值 Isdc = 1A 电流有效值 Isrms = 1.38A电流中值 Isa = 1.92A 电流交流值 Iac = 0.959A5.11 计算原边、副边绕组的线径，估算窗口占有率线径及根数集肤深度 = 6.61 / = 6.61 / = 0.29 cm导线的横截面积：电流密度 j = 4.25A / mm2初级绕组：Sp=0.068mm20.25mm ×1PRDC = 4.523m/cm ( 100 )副边绕组：Ss = 0.328mm20.40mm×2PRDC = 0.892m/cm ( 100 )Vcc绕组：Scc = 0.1/4.2 = 0.024mm2 0.1mm×2P窗口占有率：0.4 60.48 140 0.1252 + 23 0.22 + 35 0.08224.2 13.6 OK5.12 计算绕组的铜损平均匝长 lav = 23.5 mm各绕组绕线长度：原边 lNp = 140 × 23.5 = 329 cm副边 lNs = 23 × 23.5 = 54.0 cm各绕组直、交流电阻：原边Rpdc=1.45 Rpac=2.38副边Rsdc=0.024 Rsac=0.038Vcc绕组电流过小，忽略绕组损耗各绕组损耗：Pu = 0.30W è 5.13 计算绕组的铁损计算铁损：查磁芯损耗曲线，PC40在 B = 0.15T时为80mW / cm3铁损 PFe = 80 1.5 = 0.12 W估算温升总损耗 Ploss = 0.12 + 0.30 = 0.42 W经验公式 T = 22 < 40设计 OK5.14 变压器绕线结构及工艺绕线宽度高度累计查EF20 Bobbin 绕线宽度W=12.1mm，高度H=2.9mm0.25mm，最大外径0.275mm 每层35T，W1=9.62mm0.40mm，最大外径0.52mm 每层23T，W2=11.9mm0.10mm，最大外径0.13mm 每层35T，W3=9.1mm(0.1mm×2P)总高度 = 0.275×4 + 0.52 × 2 + 0.13 × 3 + 0.03 × 7 = 2.74 mm绕线结构次级初级次级