开关电源变压器设计方案.docx

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/ 、八—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 ( C(CDMCM) ) 化而变化 低输入电压，满载条件下变压器工作在连续电 ( DCM )流模式 高输入电压，轻载条件下变压器工作在非连续电流模式2. 变压器设计原则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1109。

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：Vacm in~ Vacmax输入频率：fL输出电压：V输出电流：I工作频率：fs输出功率：P预估效率：n最大温升：40 °C4.0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 + V°.8 •VMOS(Vo+ Vf) + V in max- Aft J < *+ (Y :AJ ■ —N=Np MNminmax+ VF-CH i* •)> fp：Vr-Vo <\ mniax *、11*、N=Np Ns Vm叫、开关悴OFF(a)幵关竹ON4.3确定最低输入电压和最大占空比输入滤波电容：2^F~3yF/W最低输入电压（假设tc=3ms ）in minV2—*-~―-厂:— Vinmii7—T 20ms\最低输入电压，最大功率时，占空比最大 Dmaxmax4.4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DCMATp * ［卩 AlpMs 41s 41s4.5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< 1/3P。

max时，变换器工作在DCMPo> 1/3Pmax时，变换器工作在CCMin-avg -变压器初级临界电流峰值IpklAlplBCM模式下，最小输入电压时的平均输入电流Ipi = IpkiIskl4.6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on 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 =K是窗口的铜填充系数：取K°=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 Bm _j是电流密度，取j = 4.2A/mm 2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% Ns/ (V°+ Vf )次级绕组匝数Ns= Np/ N辅助绕组匝数Ng = ( Vcc+ 1 )气隙长度： lg =4.9满载时峰值电流CCM时，Ton max固定不变低输入电压电满载条件形上升增量p2IP1 =Lp (|2pk2 — |2pk0 )输入电压不变，BCM的Ton max等于CCM的Ton max变压器初级峰值电流I pk2BCM r > CCM[pk4.10最大工作磁芯密度Bmaxmax< sat如果Bmax Vin max/ N + V。

0.8 100 > 375 / N +12(12 + 0.5 ) +375D in max0.8 Vmos> N （ Vo+ Vf）+ Vin max 0.8 600 > N 5.5 < N < 8.45.4 最低输入电压和最大占空比选择 Cin=22AF最低输入电压：Vin min最大占空比：= 0.49Dmax =5.5 计算初级临界电流均值和峰值Iin-avg== =0.07 AIpi = Ipki= == 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AP = =0.066 cmp（铁氧体磁芯 Bsat= 3900G，取 Bm= 1600G ）查表2EF20 Ae= 0.335 cm， Aw= 0.6048 cm> 0.066 cmAP = Aw* Ae= 0.202 cm5.8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 ssNcc = 19 23 / 12.5 35 Tscclg=5.9 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 电 Ipa = 0.42Apa流直流值 Ipdc = 0.20A电流有效值 Iprms = 0.29A电流交流值 Ipac = 0.208A副边各电流:电流直流值 I = 1Asdc 电流中值 Isa = 1.92Asa电流有效值 Isrms = 1.38A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 5 = 6.61 / = 6.61 / = 0.29 cm导线的横截面积：电流密度 j = 4.2~5A / mm初级绕组：S =0.068mm 2 —① 0.25mm > 1P — R = 4.523m Q /cm ( 100 C )P DC窗口占有率：0.460.48 14024.2 13.6Vcc 绕组: Scc = 0.1/4.2 = 0.024mm—① 0.1mmx2P0.1252 + 23OK0.22 + 350.0825.12 计算绕组的铜损平均匝长 lav = 23.5 mm 各绕组绕线长度：原边 INP = 140 送 3.5 = 329 cm 副边 INS = 23 >23.5 = 54.0 cm各绕组直、交流电阻：原边 Rpdc = 1.45 Q R pac =2.38 Q副边 R =0.024 Q R =0.038 Q Vcc 绕组电流过小，忽略绕组损耗各绕组损耗:Pu = 0.30W5.13 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 / cm 铁损 PFe = 80 1.5 = 0.12 W估算温升总损耗 PIOSS = 0.12 + 0.30 = 0.42 W经验公式 T = 22C < 40C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=2.9mm副边绕组：Ss= 0・328mm 2 —① 0.40mmK 2P — R = 0・892m Q /cm ( 100 C )s DC绕线结构次级一初级一次级StepWindingMaterialStartTurnsFinishRemark1N1TripleiiisulatioiL0,40 *1A23BN1& N6with TEFLON Tube・N2・N 3.N4.N5 without TEFLON Tube-TAPETAPEW=12nun (Y)13N2die 忙 2。