开关电源变压器设计(精编版).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 90C；Class B 不能超过 110C。

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： η最大温升： 40 ℃4.0 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 ： 0.8VD > V in max / N + V o开关 OFF ： 0.8 VMOS > N ( Vo+ VF) + V in max匝比 ： Nmin < N < N max4.3 确定最低输入电压和最大占空比输入滤波电容： 2μF~3μF/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 = 1/3P o max 时，变换器工作在 BCM Po < 1/3P o max 时，变换器工作在 DCM Po > 1/3P o 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 = I pk1 =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/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%次级绕组匝数 Ns = N p / N辅助绕组匝数 Ncc = ( V cc + 1 ) Ns / ( V o+ 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 T on max 等于 CCM 的 Ton maxT on max 内，电感电流线形上升增量 Ip1 = = Ip2pk2低输入电压，满载条件下 Po = η Lp (I2 –I2pk0 ) fs变压器初级峰值电流 Ipk2 =4.10 最大工作磁芯密度 B maxBmax = < Bsat如果 Bmax V in max / N + V o 0.8 100 > 375 / N +120.8 Vmos > N ( Vo + V F ) + V in max 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 cm 2( 铁氧体磁芯 Bsat = 3900G , 取 Bm = 1600G )查表EF20 Ae = 0.335 cm 2，Aw = 0.6048 cm 2AP = A w * Ae = 0.202 cm 2 > 0.066 cm 25.8 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 TsNcc = 19 23 / 12.5 35 Tsl g = = 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 δ= 6.61 / = 6.61 / = 0.29 cm导线的横截面积：电流密度 j = 4.2~5A / mm 2初级绕组： Sp=0.068mm 2→Φ 0.25mm 1P →RDC = 4.523mΩ /cm ( 100 ℃ )副边绕组： Ss = 0.328mm 2→Φ 0.40mm 2P →RDC = 0.892mΩ /cm ( 100 ℃ )Vcc 绕组： Scc = 0.1/4.2 = 0.024mm 2 →Φ 0.1mm 2P窗口占有率： 0.4 60.48 140 0.125 2 + 23 0.22 + 350.08 224.2 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 Ω Rpac=2.38 Ω 副边 Rsdc =0.024 Ω Rsac =0.038 Ω 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 ΔB = 0.15T 时为 80mW / cm 3铁损 PFe = 80 1.5 = 0.12 W。