开关电源中变压器的设计.doc

开关电源中变压器的设计开关电源为电子设备提供稳定的功率输出，它的性能好坏直接决定了电子产品的质量，而这种电源性能又与变压器设计优劣密切相关可以说变压器在幵关电源中占裾着关键作用，决定着电路的关键技术参数指标及工作状态，因此对于大多数电源而言，电源的设计归根结底就是变压器的设计开关电源属于一种高频供电系统，频率高必然使变压器体积降低，传递的能量密度升高，温升变大；同时在高频环境下，变压器绕线中的寄生电容很容易与电路中的电感发生谐振，产生噪音，恶化电源的电磁兼容性能但是在磁性元件没有重大的技术突破之前，这些问题始终会存在，因此我们只能通过其它的方式来对变压器进行优化，从而提高幵关电源的整体性能1开关电源变压器的设计步骤变压器是开关电源的核心，它直接决定了一个电源的技术指标，因此变压器的设计至关重要本文以反激式开关电源为例对变压器进行分析在设计一个开关变压器之前，要通过理论分析计算出原副边匝数、反 馈绕组匝数、原边电感量、磁芯的Ap值、绕组线径大小，要注意的是计算出来的数据仅仅是参考，不能脱离实际当这些关键参数都被大致确定后，就可以进行变压器的实际设计了本论文就第4.3章节中的基于SE8510的LED电源进行变压器设计，通过计算得出原边匝数为54,原边绕组线径为0.5mm,副边匝数为50,副边线圈线径为0.4mm,原边电感量为0.58mH。

磁芯Ap值为0.2593cm4,1.1.磁芯选择开关变压器的磁芯体积大小与功率成正比，因此功率越大变压器体积 越大在用Ap法选择磁芯时要同时兼顾电路的工作频率、PCB的布线形 状、环境温度和允许的温升等应用情况，AP法公式如下：peak2?Lp?(IP)?104?Ap????450?0.3?B? (1.1)max??根据公式(1.1)计算出Ap值为0.2593cm，查表选择EFD25磁芯，EFD25 的Ap值为0.3938cm4，这样可以保证一定的裕量，降低电路损耗1.2骨架线圈绕制磁芯选择好以后，根据相应的骨架幅宽及绕组线径大小确定合适的匝数，遵循的原则就是让每一层的绕线占满整个幅宽，如图6.1为变压器骨架侧视图如果实在无法绕满的话，则多的那几圈初级绕组要密绕，次级绕组要均绕，密绕就是漆包线一圈紧挨着一圈的绕制方式，均绕就是漆包线圈与圈之间留冇均匀空隙4的绕制方式，如图1.2所示1.1骨架幅宽定义Fig.1.1 Skeleton width defined1.2两种导线在骨架上的绕制方式Fig. 1.2 Two kinds of wire winding on the skeleton由予高频导线的集肤效应，规定初级线径不能超过0.4mm，如果超过就需要用多跟导线并联。

次级最好用三层绝缘线绕制，因为次级电流较大， 导线发热严重，使用绝缘性能好的线可以有效降低损耗辅助绕组电压电流都非常低，一般使用0.15mm的导线就可满足要求本次设计中初级线 校为0.5mm，因此我采用两根0.25mm的导线并绕，次级选择0.4mm的三层绝缘线，根据漆包线规格表査出，0.25mm的导线实际线径为0.3mm,0.4mm的三层绝缘线实际线径为0.6mm通过测量得EFD25骨架的幅宽为16.5mm，则初级与次级绕制一圈的匝数为1.2) 0.3mm(1.3) 0.6mmNl?16.5mm?55N2?16.5mm?27故初级绕55匝，次级绕54匝，满足计算出的最小匝数要求当线径与匝数都确定以后，就可以利用手动绕线机进行绕制了在绕制过程中有两点需耍注意：第一，根据电路实物图在骨架上找到相对应的引脚，A、B点为变压器初级两端，对应变压器1、2脚，C、D点为变压器次级两端，对应9、10脚，E、F点为变压器辅助绕组两端，对应3、4脚第二，保证同名端处的绕线方向一致，图6.3中A、D、F互为同名端，那么线圈在骨架上的绕制顺序为1—2、9—10、4一3图1.3骨架俯视图及绕组相位图Fig.1.3 Skeleton top view and winding phase diagram1.3磁芯中柱磨气隙反激式电源的磁芯需要进行中柱磨气隙，否则磁芯会很容易饱和，如图1.4所示。

在开气隙时采用边磨气隙边测初级电感的方法，当初级电感量达到0.58mH时就证明气隙磨好了由丁•气隙会使空气介入，相当丁•串 入一个大磁阻介质，故气隙越大，电感量越小，变压器能储存的能量越多为了保证变压器的稳定工作，气隙不能幵太大，因为能量主要是存储在气隙里，气隙过大会使漏感增加，对EMC和效率都有影响；气隙也不能开太小，气隙过小会导致变压器能够储存的能量变少，当气隙无法容纳正常工作电感所产生的能量时，磁芯就会饱和从而损坏变压器图1.4磁芯开气隙对磁滞回线的影响Fig.1.4 Magnetic core KaiQi gaps influence on hysteresis loop根据公式：(1.4) dt??B?S(1.5)??Ldi(1.6) dt由公式（6.4）、（6.5）、（6.6）化简得N?B?S?L?I(1.7)在公式（6.7）中，左端数值都不变，公式右端电流I是瞬间增大的因此电感量L同时也会瞬间降低近似为0，电感产生的能量为?12LI(1.8) 2式中L几乎为0,所以电感无法储能，相当于一根导线，从而烧毁变压器2变压器不同线圈绕法的实验波形及结论按照上一节变压器的设计方法，制作了4种不同方案的变压器。

然后将4种变压器连接在完全一样的电路中，并且保证外部环境、输入输出环境的一致性最后用示波器测量初级与次级的波形2.1方案一该方案中变压器的线圈绕法为：从里到外分别是初级绕组、次级绕组、辅助绕组、屏蔽绕组2.1方案一2.2方案一的初级波形与次级波形从图2.2可以看出，方案一中变压器初级电压尖峰约为40V，次级电压尖峰为约lOOVo2.2方案二该方案中变压器的线圈绕法为：从里到外分别是次级绕组、初级级绕组、辅助绕组、屏蔽绕组图2.3方案二图2.4方案二的初级波形与次级波形从图2.4可以看出，方案二中变压器初级电压尖峰约为50V,次级电压尖峰约为150V2.3方案三该方案中变压器的线圈绕法为：从里到外分别是次级绕组的一半、初级绕组、次级绕组的另一半、辅助绕组、屏蔽绕组，即三明治绕法2.5方案三2.6方案三的初级波形与次级波形从图2.6可以看出，方案三中变压器初级电压尖峰约为20V，次级电压尖峰约为40V2.4方案四该方案也采用的是三明治绕法：从里到外分别是初级级绕组的一半、次级绕组、初级绕组的另一半、辅助绕组、屏蔽绕组图2.7方案四2.8方案四的初级波形与次级波形从图6.12可以看出，方案四中变压器初级电压尖峰约为30V,次级电压尖峰约为80V。

2.5实验结论① 方案三和方案四中变压器的初次级尖峰比较低，这样能有效地降低变压器漏感和损耗，减少温升，提高效率② 对比方案三和方案四的波形，在三明治绕法中，方案三的方式较好③ 对比方案一和方案二的波形，在普通绕法中，方案一的方式较好④ 方案一和方案二中变压器的同级线圈少绕一层，这样会使分布电容变小，增强变压器的电磁兼容性能综上所述，三明治绕法的变压器漏感小、损耗低、温升少、效率高，但绕制较麻烦；普通绕法的变压器EMC性能更好，且绕制较简单所以为了提高电源的稳定性与效率，则应该采用方案三如果电源对电磁兼容性有严格要求，就应该釆用方案一3 一种多路输出绕制方法该电源芯片有自动调光功能，可通过外接一个单片机电路来实现，所以为了使该电源在原有负载的基础上对单片机供电，研宄出了一种创新方式来实现，即在次级多增加一组输出绕组的方法3.1 一种多路输出绕制方法根据电磁感应定理，输出电压只与线圈匝数成正比，那么有公式:U127N1N2 (3.1)其中，U1和U2分別为初级电压和次级电压，N1和N2分别为初级匝数和次级匝数，代入数据即可算出单片机的次级绕组匝数按照下图所示绕制好变压器后，为了验证方案的准确性，用示波器测得两个输出绕组的波形如图所示。

图3.2原有负载与单片机负载的输出波形从上图可以看出，两个波形的电压纹波均很小，且都符合正常工作电压通过多功能数字表测出原有负载上的电流为0.3A,单片机上的电流为0.2A,则输出功率为：P1=O.3X89.9+0.2X12.6=29.49W在未接入单片机的情况下，测出原有负载上的电流为0.33A,则输出功率为：P2=0.33X89.9=29.67W两个功率值近似相等，根据开关电源变压器的能量守恒定律，可以证明该方案的准确性。