反激式开关电源变压器设计.ppt

反激式开关电源变压器设计 学习培训教材 一 变压器的设计步骤和计算公式 1 1变压器的技术要求 输入电压范围 输出电压和电流值 输出电压精度 效率 磁芯型号 工作频率f 最大导通占空比Dmax 最大工作磁通密度Bmax 其它要求 1 2估算输入功率 输出电压 输入电流和峰值电流 1 估算总的输出功率 Po V01xI01 V02xI02 2 估算输入功率 Pin Po 3 计算最小和最大输入电流电压Vin MIN ACMINx1 414 DCV Vin MAX ACMAXx1 414 DCV 4 计算最小和最大输入电流电流Iin MIN PINxVIN MAX Iin MAX PINxVIN MIN 5 估算峰值电流 KPOUTIPK VIN MIN 其中 K 1 4 Buck 推挽和全桥电路 K 2 8 半桥和正激电路 K 5 5 Boost Buck Boost和反激电路 1 3确定磁芯尺寸确定磁芯尺寸有两种形式 第一种按制造厂提供的图表 按各种磁芯可传递的能量来选择磁芯 例如下表 表一输出功率与大致的磁芯尺寸的关系输出功率 WMPP环形E E E L等磁芯磁芯直径 in mm 每边 in mm 50 65 16 0 5 11 250 80 20 1 1 30 501 1 30 1 4 35 1001 5 38 1 8 47 2502 0 51 2 4 60 第二种是计算方式 首先假定变压器是单绕组 每增加一个绕组并考虑安规要求 就需增加绕组面积和磁芯尺寸 用 窗口利用因数 来修整 单绕组电感磁芯尺寸按下式计算 0 68Poutdwx105Ap AwAe Bmaxf式中 dw 一次绕组导线截面积 单位为 cm2 Bmax 最大工作磁通密度 单位为T f 工作频率 单位为Hz Pout 变压器总输出功率 单位为W 窗口利用因数按下表计算 表二变压器窗口利用因数变压器情况窗口反激式变压器1 1一个二次绕组1 2两个或多个二次绕组1 3相互隔离的二次绕组1 4满足UL或CSA标准1 1满足IEC标准1 2法拉第屏屏蔽1 1用下式按变压器情况将各窗口利用因数综合起来Knet Ka Kb 最后以下式可以估算出变压器磁芯尺寸A p Knet Ap按照上计算A P值 加一定裕度 选取相适应的磁芯 1 4计算一次电感最小值LpriVin min DmaxLpri H Ipkf式中 f单位为Hz1 5计算磁芯气隙Lgap0 4 LpriIpk 108Lgap cm2AeB2max其中 Ae 磁芯有效截面积 单位为cm2Bmax 单位为G Lpri 单位为H 按照计算的气隙量实测出磁芯的AL值 1 6计算一次绕组所需的最大匝数NpriLpriNpri AL1 7计算二次主绕组 输出功率最大的绕组 所需匝数Ns1Npri V01 VD1 1 Dmax NS1 匝 Vin min Dmax1 8计算二次其它绕组所需匝数Nsn Von VDn Ns1Nsn 匝 V01 VD1 1 9检查相应输出端的电压误差Vsn Vsn N sn Vsn Vsn x100 Nsn式中 Vsn 相应输出电压精度 Vsn 相应输出电压值 Nsn 计算的相应输出电压匝数 N sn 选取的整数相应输出电压匝数 如果输出电压不能满足规定的精度 可以将主输出绕组Ns1增加一匝 再计算相应输出绕组匝数 看能否满足相应精度 如果这样修改结果仍不满足要求 只可回到开始阶段 增加一次绕组匝数 重新计算一次绕组匝数 直到满足要求为止 但是增加一次绕组匝数 会使变压器工作磁通密度向小的方向调整 这可能造成在较低输入电压时 输出无法达到额定的电压 所以在变压器设计时要适当的处理好输出电压精度和额定输出电压值的关系 1 10计算和选取绕组导线线径绕组导线线径按下式计算dwn 1 13In mm J式中 dwm 相应绕组线径 单位为mm In 相应绕组额定电流 单位为A J 电流密度 单位为A mm2 一般取3 10A mm2选取各绕组线径后 按下式计算在开关工作频率时导线的趋肤深度 如果导线线径超过趋肤深度 应选用导线截面积相近的多股线绕制 66 1S mm f式中 S 导线趋肤深度 单位为 mm f 开关工作频率 单位为Hz 1 11计算变压器铜损1 按照选取的磁芯 估算出变压器平均绕组长度MLT 例如对EE型磁芯MLT估算方法如下 MLT E D E D 2C 2E 2C其它型号磁芯估算MLT可依此方法类推 2 按下试计算各绕组铜损Pcun Nn MLT Rn In2式中 Pcun 第n绕组铜损 单位为瓦Nn 第n绕组匝数 单位为匝MLT 平均绕组长度 单位为mRn 第n绕组导线每米长电阻 单位为 In2 第n绕组额定电流 单位为A n 绕组序号 n 1 2 3 3 按下式计算变压器铜损Pcu pcun1 12计算变压器铁损Pc变压器铁损可根据选取的磁芯型号 材质 按照变压器工作频率和磁通密度从磁芯手册中查得 1 13验证变压器损耗是否符合设计要求根据变压器规定的效率 按下式计算变压器的损耗值 PT Pin PO PO PO若PT Pcu Pc 变压器设计合格 如果计算的 Pcu Pc 值大于PT值 这时就要依情况调整绕组导线线径或改变磁芯尺寸或材质 以满足变压器的损耗符合要求 2 设计例2 1变压器技术指标输入电压 AC90 240V 50 60Hz输出 DC 5V 额定电流1A 最小电流0 75ADC 12V 额定电流1A 最小电流100mADC 12V 额定电流1A 最小电流100mADC 24V 额定电流1A 最小电流0 25ADC 12V 偏置电流100mA输出电压精度 5V 12V 最大 5 24V 最大 10 效率 80 工作频率 50KHz工作磁通密度 Bmax 2000G安规 VDE 2 2估算输入功率 输入电压 输入电流和峰值电流1 输出功率 Po 5V 1A 2 12V 1A 24V 1 5A 65W2 输入功率 Pin Po 65W 0 8 81 25W3 最低输入电压 Vin min AC90V 1 414 DC127V4 最高输入电压 Vin max AC240V 1 414 DC340V5 最大平均输入电流 Iin max Pin Vin min 81 25WDC127V DC0 64A6 最小平均输入电流 Iin min Pin Vin max 81 25WDC340V DC0 24A7 峰值电流 Ipk 5 5Po Vin min 5 5 65W 127V 2 81A2 3确定磁芯型号尺寸按照表1 65W可选用每边约35mm的EE35 35 10材料为PC30磁芯磁芯Ae 100mm2 Acw 188mm2 W 40 6g2 4计算一次电感最小值LpriVin min Dmax127 0 5Lpri 452 10 6H 452uHIpk f2 81 50 103此处选Dmax 0 5 2 5计算磁芯气隙Lgap值0 4 Lpri Ipk 1080 4 452 10 6 2 81 108Lgap 0 04cm 0 4mmAeB2max1 2000 2查表 EE35 35 10AL 120uH N2Lgap约为0 5mm2 6计算一次绕组最大匝数NpriLpri452 10 6Npri 61 4匝取Npri 62匝AL120 10 92 7计算二次主绕组匝数NS1 NS1为DC 5V绕组 Npri V01 VD 1 Dmax 62 5 0 7 1 0 5 Ns1 2 78匝Vin min Dmax127 0 5取Ns1 3匝此处整流二极管压降VD 0 7V 2 8计算其它次级绕组匝数 Von VDn Ns1Nsn V01 VD1 12 0 7 3 12VNsn 6 68匝取7匝5 0 7 24 0 7 3 24VNs24 13匝取13匝5 0 7 2 9检查相应输出端电压误差Vsn Vsn Ns n Vsn Vsn 100 Nsn12 12V VS12 7 12 12 100 4 79 6 6824 24V VS24 13 24 24 100 0 13电压误差均符合要求 2 10计算和选取绕组导线线径dwn 1 13InJ 计算趋肤深度66 166 1S 0 29mmf50 103一次绕组 dwp 1 130 64 0 52取0 5mm3二次绕组 5Vdwn1 1 131 0 65取0 5mm6股3 12V 0 5 4股 12V 0 5 2股 24V 0 5 2股偏置 0 4 单股 变压器绕组结构的设计变压器线路图如下 0 5 31匝0 5 2 6匝0 5 31匝0 5 4 4匝0 5 6 3匝0 4 7匝0 5 2 7匝 变压器绕制结构如下 0 06 3层 偏置绕组0 06 3层 一次绕组0 06 3层 二次绕组0 06 3层 一次绕组 3mm 3mm 2 11计算变压器损耗1 铜损 Pcun NnV MLT Rn In2MLT 2E 2C 2 25 27 2 9 35 69 24mm初级铜损 Pcup 62 69 24 10 3 0 085 0 642 0 15W149W次级铜损 Pcu 5V 3 69 24 10 3 0 085 6 32 0 026W0 07WPcu 12V 4 69 24 10 3 0 085 4 22 0 024W0 06WPcu 24V 6 69 24 10 3 0 085 2 12 0 018W0 05WPcu 12V 7 69 24 10 3 0 085 2 12 0 021W0 06W总铜损 Pcu 0 15 0 026 0 024 0 018 0 021 0 239W2 铁损 PC30磁芯在50KHz 2000G时损耗 250mw cm3 52mw gPc 250 10 3 40 6 2 1W4 83 变压器总损耗PDT PCU PC 0 239 2 1 2 339 2 34W 4 开关电源总损耗估算 基于MOSFET的反激式变换器的经验方法 开关电源损耗的35 是由MOSFET产生 60 号整流部分产生 其余是变压器的损耗 效率为80 时 本开关电源总损耗为16 25W a MOSFET PDM 16 25W 0 35 5 7Wb 整流部分 PD 5V 5 65 16 25W 0 6 0 75WPD 12V 12 2 65 16 25W 0 6 3 6WPD 24V 24 65 16 25W 0 6 3 6Wc 变压器部分 PDT PCU PC 2 339W开关电源总损耗PD 5 7 0 75 3 6 3 6 2 34 15 72W低于规定的16 25W 变压器设计合格 END 本课程讲解完毕 进入自由提问阶段 谢谢