反激变压器设计过程
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反激电源变压器设计篇之详细设计步骤在上一篇文章中我们讲述了反激电源变压器设计的理论基础,文章链接如下,反激电源变压器设计篇之基础原理本文将详细讲述反激电源变压器在固定频率下连续电流模式的设计过程,这是一个反复迭代至最终满意的过程。
变压器设计过程中,我们主要考察其磁芯是否饱和,磁芯损耗是否可以接受,绕线电流是否符合要求等等。
1. 确定MOSFET的漏源极电压Vds首先确认开关管MOSFET的漏源极电压Vds,有些小功率的电源芯片可能已经将MOSFET集成在内部,一般而言600V左右的MOSFET是最常见的,价格也适中。
国产的昂宝或者芯朋微等电源厂商现在也有能做到高达800V的芯片,可根据实际情况确定。
本文以600V为例进行设计说明。
2. 确定变压器匝数比我们知道反激电源在开关管断开时会产生很大的电压尖峰,如图1所示,这是因为变压器存在漏感。
因此,在实际的电路设计中都会使用RCD钳位电路,示意如图2所示,Llk表示变压器的漏感。
图1图2考虑到器件的降额,Vds电压可以选取80%~90%,尖峰电压我们可以根据经验大概设定在50~80V之间,然后结合最大输入电压,带入上式即可得到变压器的匝数比。
3. 确定占空比反激电源是从升降压拓扑演变而来,最低输入电压是电源工作的最恶劣工况。
根据变压器初级侧电感的伏秒平衡原则,可得下式,这是效率为100%时的理论占空比,我们可以进一步计算得到相对更加精确的占空比。
由于我们知道电源的输出功率Po和输出电压Vo,因此,可以得到输出的负载电流Io,4. 确定电流波形在设计时,我们可以设定连续电流模式的电流纹波率r为0.5,作为迭代的初始条件。
因此,可得初级侧电流纹波,然后,初级侧电流乘以匝数比,就能得到次级侧的电流值。
5. 确定原边侧电感值6. 确定磁芯磁芯很多时候都是根据经验来进行选择,网络或者相关书籍也有一些评估公式可供参考,根据上式得到初步的磁芯体积后,就可以根据磁芯规格参数表来初步选择磁芯了。
参数要求INPUT MIN90VAC INPUT MAX 265VAC OUTPUT 119VDC I 3.16A Po60.04W OUTPUT 212VDC I 0.1A Po1.2W OUTPUT 30VDC I 0A Po0W NVcc12VDC I 0A Po0W 工作频率Fs70KHz Dmax=0.5Ae 70.3步骤1求CORE 137.790.2TAP=0.62cm4步骤2 估算臨界電流 IOB ( DCM / CCM BOUNDARY )IOB = 80%*Io(max)IoB = 2.528步骤3求匝數比 nN = [VIN(min) / (Vo + Vf)] * [Dmax / (1-Dmax)]107.26N= 5.4447*1= 5.44步骤4求CCM / DCM臨界狀態之副邊峰值電流ΔISB.ΔIsb = 2Iob / (1-Dmax)=10.112A步骤5計算次級電感 Ls 及原邊電感 Lp.Ls = (Vo + Vf)(1-Dmax) * Ts / ΔISB =0.14070.013916=13.916uHLp = n2 Ls =412.5193uH步骤6求CCM時副邊峰值電流ΔIsp.Io(max) = (2ΔIs + ΔISB) * (1- Dmax) / 2ΔIs = Io(max) / (1-Dmax) - (ΔISB / 2 )ΔIsp = ΔISB +ΔIs = Io(max) / (1-Dmax) + (ΔISB / 2 )=11.376A步骤7求CCM時原邊峰值電流ΔIpp.ΔIpp = ΔIcp / n = 2.089383A步骤8確定Np、Ns1> Np Np = Lp * ΔIpp / (ΔB* Ae)=61.302T 2> Ns Ns = Np / n =11.259T 3> Nvcc求每匝伏特數Va Va = (Vo + Vf) / Ns= 1.7497V/Ts Nvcc = (Vcc + Vf) / Va =7.0298T 本文介绍了设计反激变压器的步骤及公式,在红色框内输入数据即可..........反激变压器设计AP= AW*Ae=(Pt*100000)/(2ΔB*fs*J*Ku)VIN(min)=△B = 0.6 * (390 - 60) = 198mT ≒传递功率Pt = Po /η +Po = J : 電流密度 A / cm2 (300~500)Ku: 繞組系數 0.2 ~ 0.5。
反激式开关电源变压器的设计方法反激式开关电源变压器是一种常用于电子设备中的高效率、高频率开关电源变压器。
其设计方法包括了选择合适的变压器参数、计算变压器工作状态、考虑磁芯损耗和温升等方面。
下面将详细介绍反激式开关电源变压器的设计步骤。
首先,确定设计目标和性能要求。
根据所需的输入和输出电压和电流,确定变压器的额定功率和输出功率。
同时,考虑变压器的体积限制以及可用的材料,进行适当的权衡。
第二步是选择磁芯材料。
磁芯的选择对于反激式开关电源变压器来说非常重要,因为磁芯的性能直接影响着变压器的效率和工作频率。
常见的磁芯材料包括铁氧体和软磁合金等,可以根据具体的应用需求和成本进行选择。
第三步是计算变压器的主要参数。
包括主磁链感应系数、匝数比、实际绕组电压和电流等。
根据设计目标和性能要求,以及选择的磁芯材料,可以通过一系列公式和计算来决定这些参数。
第四步是进行磁芯损耗和温升的估算。
反激式开关电源变压器在工作过程中会产生磁芯损耗和温升。
这些损耗会导致变压器的效率下降,甚至导致变压器无法正常工作。
因此,需要根据具体的磁芯材料和使用条件,进行损耗和温升的估算。
第五步是进行变压器的绕组设计。
根据变压器的参数和工作状态,设计变压器的绕组结构和匝数。
通过合理设计绕组,可以提高变压器的效率和性能。
第六步是进行变压器的线径选择和导线布局。
根据所需的电流和损耗,选择合适的线径,并进行合理的导线布局,以提高变压器的效率和散热性能。
最后一步是进行变压器的实际制造和测试。
根据设计图纸和规格要求进行变压器的实际制造,并通过测试来验证设计的正确性和性能。
总之,反激式开关电源变压器的设计是一个复杂的过程,需要考虑多个因素的综合影响。
通过合理选择磁芯材料、计算变压器参数、评估磁芯损耗和温升等步骤,可以设计出性能良好、效率高的变压器。
反激变压器设计步骤及变压器匝数计算编辑整理:尊敬的读者朋友们:这里是精品文档编辑中心,本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的,发布之前我们对文中内容进行仔细校对,但是难免会有疏漏的地方,但是任然希望(反激变压器设计步骤及变压器匝数计算)的内容能够给您的工作和学习带来便利。
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1。
确定电源规格。
输入电压范围Vin=85—265Vac;。
输出电压/负载电流:Vout1=5V/10A,Vout2=12V/1A;.变压器的效率ŋ=0。
902. 工作频率和最大占空比确定。
取:工作频率fosc=100KHz, 最大占空比Dmax=0.45.T=1/fosc=10us.Ton(max)=0。
45*10=4.5usToff=10—4.5=5.5us.3. 计算变压器初与次级匝数比n(Np/Ns=n)。
最低输入电压Vin(min)=85*√2-20=100Vdc(取低频纹波为20V)。
根据伏特-秒平衡,有: Vin(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1—Dmax)*n.n= [Vin(min)* Dmax]/ [(Vout+Vf)*(1-Dmax)]n=[100*0。
45]/[(5+1。
0)*0.55]=13。
644。
变压器初级峰值电流的计算.设+5V输出电流的过流点为120%;+5v和+12v整流二极管的正向压降均为1.0V. +5V输出功率Pout1=(V01+Vf)*I01*120%=6*10*1。
2=72W+12V输出功率Pout2=(V02+Vf)*I02=13*1=13W变压器次级输出总功率Pout=Pout1+Pout2=85W1/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout/Ip1=2*Pout/[ŋ(1+k)*Vin(min)*Dmax]=2*85/[0。
第二节TOPSwitch组成单端反激式开关电源的设计流程图TOPSwitch是内含高压功率MOSFET开关管的单片复合IC器件,它包含所有的模拟和数字控制电路,能完成隔离变压、调整稳压、自动保护等开关电源需要的全部功能。
由于IC外部元器件很少,因此它能大为简化电源的设计。
又因它的开关频率高达100KHz,从而V时能明显缩小电源变压器的尺寸,并且允许使用更小的储能元件。
当电网电压为85-265ACV时,输出功率则达100W。
其输出功率功率可达50W,当电网电压为195-265AC设计一台单端反激式离线开关电源,涉及到电气工程的许多方面:模拟电路和数字电路的结构,双极管和MOS功率管器件的特征,磁性材料的考虑,热温升的散发,过流和过压的安全防护,控制回路的稳定性能等。
这就提出了一个巨大的挑战:它的设计涉及到需要综合协调的许多可变因素。
正是由于TOPSwitch的高度集成化,才使得这项设计任务被大大地简化。
因为它有效的缩减了设计变数项目,并且建立了IC内部回路的稳定性,所以发展成为一种简单的逐步设计方法,使之容易遵循参照,并指引读者从TOPSwitch的设计流程图中,快速的得到较满意的结果。
一台开关电源的设计,本质上是一件把许多变数调节到最佳值的反复过程。
它的设计方法大体上可有下述三部分:一是完整的设计流程图,而是简明扼要的设计步骤,三是深化的数据信息处理。
在构思阶段的流程图,是做成一个框图来提供全局的概貌,并指出完整的设计步骤。
该逐步设计程序是设计方法的一种简化模式,在执行程序阶段,他自始至终指导读者如何按给定的电源系统指标要求和规范,运用经验规则,查阅表格和简化的图示项目,来完成所需的TOPSwitch反激式电源的设计在优化最佳数据和信息的过程中,可利用关键的基本工作数据作为设计指南,例如一些方程式和导向图标等。
在以上三者之间,它们提供了前后相互参照的内容,让读者能开阔思路,在给定的阶段执行有关程序,实现最佳参数,这有利于深入理解和进一步优化数据。
反激式开关电源变压器设计反激式变压器是反激式开关电源的核心,它决定了反激式变换器一系列的重要参数,如占空比D,最大峰值电流,设计反激式变压器,就是要让反激式开关电源工作在一个合理的工作点上。
这样可以让其发热量尽量小,对器件的磨损也尽量小。
同样的芯片,同样的磁芯,若是变压器设计不合理,则整个开关电源性能会有很大的下降,如损耗会加大,最大输出功率会下降。
设计变压器,就是要先选定一个工作点,在这个点就是最低的交流输入电压,对应于最大的输出功率。
第一步,选定原边感应电压VOR。
这个值是有自己来设定的,这个值就决定了电源的占空比。
可能朋友们不理解什么是原边感应电压。
我们分析一个工作原理图。
当开关管开通的时候,原边相当于一个电感,电感两端加上电压,其电流值不会突变,而线性上升:I升=Vs*Ton/L。
这三项分别是原边输入电压,开关开通时间和原边电感量。
在开关管关断的时候,原边电感放电,电感电流会下降,此时有下降了的电流:I降=V OR*T OFF/L 。
这三项分别是原边感应电压(即放电电压)、开关管管段时间和电感量。
经过一个周期后,原边电感电流会回到原来的值,不可能会变,所以有:Vs*T ON/L=V OR*T OFF/L。
即上升了的等于下降了的。
上式中用D来代替TON,用(1-D)来代替TOF F。
移项可得:D=V OR/(V OR+Vs)。
这就是最大占空比了。
比如说我设计的这个变压器,我选定电感电压VOR=20V,则Vs为24V,D=20/(20+24)=0.455。
第二步,确定原边电流波形的参数原边电流波形有三个参数,平均电流,有效值电流,峰值电流,首先要知道原边电流的波形,原边电流的波形如下。
这是一个梯形波横向表示时间,总想表示电流大小,这个波形有三个值,一个是平均值I平均,二是有效值I,三是峰值Ip。
CCM连续电流模式反激变压器的设计一. 序言反激式变换器以其电路结构简单,成本低廉而深受广大开发工程师的喜爱,它特别适合小功率电源以及各种电源适配器.但是反激式变换器的设计难点是变压器的设计,因为输入电压范围宽,特别是在低输入电压,满负载条件下变压器会工作在连续电流模式(CCM),而在高输入电压,轻负载条件下变压器又会工作在不连续电流模式(DCM);另外关于CCM模式反激变压器设计的论述文章极少,在大多数开关电源技术书籍的论述中, 反激变压器的设计均按完全能量传递方式(DCM模式)或临界模式来计算,但这样的设计并未真实反映反激变压器的实际工作情况,变压器的工作状态可能不是最佳.因此结合本人的实际调试经验和心得,讲述一下不完全能量传递方式(CCM) 反激变压器的设计.二.反激式变换器(Flyback Converter)的工作原理1).反激式变换器的电路结构如图一.2).当开关管Q1导通时,其等效电路如图二(a)及在导通时初级电流连续时的波形,磁化曲线如图二(b).当Q1导通,T1之初级线圈渐渐地会有初级电流流过,能量就会储存在其中.由于变压器初级与次级侧之线圈极性是相反的,因此二极管D1不会导通,输出功率则由Co来提供.此时变压器相当于一个串联电感Lp,初级线圈电流Ip可以表示为:Vdc=Lp*dip/dt此时变压器磁芯之磁通密度会从剩磁Br增加到工作峰值Bw.3.当Q1截止时, 其等效电路如图三(a)及在截止时次级电流波形,磁化曲线如图三(b).当Q1截止时,变压器之安匝数(Ampere-Turns NI)不会改变,因为∆B并没有相对的改变.当∆B向负的方向改变时(即从Bw降低到Br),在变压器所有线圈之电压极性将会反转,并使D1导通,也就是说储存在变压器中的能量会经D1,传递到Co 和负载上.此时次级线圈两端电压为:Vs(t)=Vo+Vf (Vf为二极管D1的压降).次级线圈电流:Lp=(Np/Ns)2*Ls (Ls为次级线圈电感量)由于变压器能量没有完全转移,在下一次导通时,还有能量储存在变压器中,次级电流并没有降低到0值,因此称为连续电流模式或不完全能量传递模式(CCM).三.CCM模式下反激变压器设计的步骤1. 确定电源规格.1..输入电压范围Vin=85—265Vac;2..输出电压/负载电流:Vout1=5V/10A,Vout2=12V/1A;3..变压器的效率ŋ=0.902. 工作频率和最大占空比确定.取:工作频率fosc=100KHz, 最大占空比Dmax=0.45.T=1/fosc=10us.Ton(max)=0.45*10=4.5usToff=10-4.5=5.5us.3. 计算变压器初与次级匝数比n(Np/Ns=n).最低输入电压Vin(min)=85*√2-20=100Vdc(取低频纹波为20V).根据伏特-秒平衡,有: Vin(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1-Dmax)*n.n= [Vin(min)* Dmax]/ [(Vout+Vf)*(1-Dmax)]n=[100*0.45]/[(5+1.0)*0.55]=13.644. 变压器初级峰值电流的计算.设+5V输出电流的过流点为120%;+5v和+12v整流二极管的正向压降均为1.0V. +5V输出功率Pout1=(V01+V f)*I01*120%=6*10*1.2=72W+12V输出功率Pout2=(V02+V f)*I02=13*1=13W变压器次级输出总功率Pout=Pout1+Pout2=85W如图四, 设Ip2=k*Ip1, 取k=0.41/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout/ŋIp1=2*Pout/[ŋ(1+k)*Vin(min)*Dmax]=2*85/[0.90*(1+0.4)*100*0.45]=3.00AIp2=0.4*Ip1=1.20A5. 变压器初级电感量的计算.由式子Vdc=Lp*dip/dt,得:Lp= Vin(min)*Ton(max)/[Ip1-Ip2]=100*4.5/[3.00-1.20]=250uH6.变压器铁芯的选择.根据式子Aw*Ae=Pt*106/[2*ko*kc*fosc*Bm*j*ŋ],其中:Pt(变压器的标称输出功率)= Pout=85WKo(窗口的铜填充系数)=0.4Kc(磁芯填充系数)=1(对于铁氧体),变压器磁通密度Bm=1500 Gsj(电流密度): j=5A/mm2;Aw*Ae=85*106/[2*0.4*1*100*103*1500Gs*5*0.90]=0.157cm4考虑到绕线空间,选择窗口面积大的磁芯,查表:EER2834S铁氧体磁芯的有效截面积Ae=0.854cm2它的窗口面积Aw=148mm2=1.48cm2EER2834S的功率容量乘积为Ap =Ae*Aw=1.48*0.854=1.264cm4 >0.157cm4故选择EER2834S铁氧体磁芯.7.变压器初级匝数及气隙长度的计算.1).由Np=Lp*(Ip1-Ip2)/[Ae*Bm],得:Np=250*(3.00-1.20)/[85.4*0.15] =35.12 取Np=36由Lp=uo*ur*Np2*Ae/lg,得:气隙长度lg=uo*ur*Ae*Np2/Lp=4*3.14*10-7*1*85.4mm2*362/(250.0*10-3mH)=0.556mm 取lg=0.6mm2). 当+5V限流输出,Ip为最大时(Ip=Ip1=3.00A),检查Bmax.Bmax=Lp*Ip/[Ae*Np]=250*10-6*3.00/[85.4 mm2*36]=0.2440T=2440Gs <3000Gs因此变压器磁芯选择通过.8. 变压器次级匝数的计算.Ns1(5v)=Np/n=36/13.64=2.64 取Ns1=3Ns2(12v)=(12+1)* Ns1/(5+1)=6.50 取Ns2=7故初次级实际匝比:n=36/3=129.重新核算验证占空比Dmax和Dmin.1).当输入电压为最低时: Vin(min)=100Vdc.由Vin(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1-Dmax)*n,得:Dmax=(Vout+Vf)*n/[(Vout+Vf)*n+ Vin(min)]=6*12/[6*12+100]=0.4182).当输入电压为最高时: Vin(max)=265*1.414=374.7Vdc.Dmin=(Vout+Vf)*n/[(Vout+Vf)*n+ Vin(max)]=6*12.00/[6*12.00+374.7]=0.1610. 重新核算验证变压器初级电流的峰值Ip和有效值Ip(rms).1).在输入电压为最低Vin(min)和占空比为Dmax条件下,计算Ip值和K值.(如图五)设Ip2=k*Ip1.实际输出功率Pout'=6*10+13*1=73W1/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout'/ŋ(1)K=1-[Vin(min)* Ton(max)]/(Ip1*Lp) (2)由(1)(2)得:Ip1=1/2*{2*Pout'*T/[ŋ* Vin(min)*Ton(max)]+Vin(min)* Ton(max)/Lp}=0.5*{2*73*10/[0.90*100*4.18]+100*4.18/250.0}=2.78AK=1-100*4.18/[2.78*250]=0.40Ip2=k*Ip1=2.78*0.40=1.11A2).初级电流有效值Ip(rms)=[Ton/(3T)*(Ip12+Ip22+Ip1*Ip2)]1/2=[0.418/3*(2.782+1.112+2.78*1.11)] 1/2=1.30A11. 次级线圈的峰值电流和有效值电流计算:当开关管截止时, 变压器之安匝数(Ampere-Turns NI)不会改变,因为∆B并没有相对的改变.因此开关管截止时,初级峰值电流与匝数的乘积等于次级各绕组匝数与峰值电流乘积之和(Np*Ip=Ns1*Is1p+Ns2*Is2p).由于多路输出的次级电流波形是随各组负载电流的不同而不同, 因而次级电流的有效值也不同.然而次级负载电流小的回路电流波形,在连续时接近梯形波,在不连续时接近三角波,因此为了计算方便,可以先计算负载电流小的回路电流有效值.1).首先假设+12V输出回路次级线圈的电流波形为连续,电流波形如下(图一):1/2*[Is2p +Is2b]*toff/T=I02(3)Ls1*[Is2p–Is2b]/toff=V02+Vf (4)Ls2/Lp=(Ns2/Np)2(5)由(3)(4)(5)式得:Is2p=1/2*{2*I02/[1-D]+[V02+Vf]*[1-D]*T*Np2/[Ns22*Lp]}=0.5*{2*1/[1-0.418]+[12+1]*[1-0.418]*10*362/[72*250]}=5.72AIs2b =I01/[1-D]-1/2*[V01+Vf]*[1-D]*Np2/[Ns22*Lp]=1/0.582-0.5*13*0.582*10*362/[72*250]=-2.28A <0因此假设不成立.则+12V输出回路次级线圈的电流波形为不连续, 电流波形如上(图七).令+12V整流管导通时间为t’.将Is2b=0代入(3)(4)(5)式得:1/2*Is2p*t’/T=I02(6)Ls1*Is2p/t’=V02+Vf (7)Ls2/Lp=(Ns2/Np)2(8)由(6)(7)(8)式得:Is2p={(V02+Vf)*2*I02*T*Np2/[Lp*Ns22]}1/2={2*1*[12+1]*10*362/[72*250]} 1/2=5.24At’=2*I02*T/ Is2p=2*1*10/5.24=3.817us2).+12V输出回路次级线圈的有效值电流:Is2(rms)= [t’/(3T)]1/2*Is2p=[3.817/3*10] 1/2*5.24=1.87A3).+5v输出回路次级线圈的有效值电流计算:Is1rms= Is2(rms)*I01/I02=1.87*10/1=18.7A12.变压器初级线圈和次级线圈的线径计算.1).导线横截面积:前面已提到,取电流密度j=5A/mm2变压器初级线圈:导线截面积= Ip(rms)/j=1.3A/5A/mm2=0.26mm2变压器次级线圈:(+5V)导线截面积= Is1(rms)/j=18.7A/5A/mm2=3.74 mm2(+12V)导线截面积= Is2(rms)/j=1.87A/5A/mm2=0.374mm22).线径及根数的选取.考虑导线的趋肤效应,因此导线的线径建议不超过穿透厚度的2倍.穿透厚度=66.1*k/(f)1/2k为材质常数,Cu在20℃时k=1.=66.1/(100*103)1/2=0.20因此导线的线径不要超过0.40mm.由于EER2834S骨架宽度为22mm,除去6.0mm的挡墙宽度,仅剩下16.0mm的线包宽度.因此所选线径必须满足每层线圈刚好绕满.3).变压器初级线圈线径:线圈根数=0.26*4/[0.4*0.4*3.14]=0.26/0.1256=2取Φ0.40*2根并绕18圈,分两层串联绕线.4).变压器次级线圈线径:+5V: 线圈根数=3.74/0.1256=30取Φ0.40*10根并绕3圈, 分三层并联绕线.+12V: 线圈根数=0.374/0.1256=3取Φ0.40*1根并绕7圈, 分三层并联绕线.5).变压器绕线结构及工艺.为了减小变压器的漏感,建议采取三文治绕法,而且采取该绕法的电源EMI性能比较好.四.结论.由于连续模式下电流峰值比不连续模式下小,开关管的开关损耗较小,因此在功率稍大的反激变换器中均采用连续模式,且电源的效率比较高.由于反激式变压器的设计是反激变换器的设计重点,也是设计难点,如果参数不合理,则会直接影响到整个变换器的性能,严重者会造成磁芯饱和而损害开关管,因此在设计反激变压器时应小心谨慎,而且变压器的参数需要经过反复试验才能达到最佳.。
单端反激式DC/DC 开关电源变压器的设计全过程,xuguoping 分享与世纪电源网的网友 变压器的参数计算:(1) 变压器的设计要求:输出电压:10V ~3KV ,8mA (变压器输出之后三倍压)输入电压:24 1V±工作频率:50KHZ最大占空比:45%变换效率:80%(2) 基本参数计算:输入最小电压:min IN V =-IN V V =24-1-0.5=22.5V输出功率:OUT OUT OUT P U I =30000.00824()W =×=输入功率:OUT IN P P η=2430()0.8W == (3) 选择磁芯:由于输出功率为24W ,需要留有一定的余量,选择磁芯的型号为:EI-28。
其具体参数如下:材料:PC40;尺寸:28.0*16.75*10.6(mm);P A :0.6005();:86 4cm e A 2mm W A :69.83; :4300;2mm L A 2/nH N S B :500mT () 390mT (10) 25o C 0o C 使用时为防止出现磁饱和,实取磁通密度m B = 250 mT(4) 粗略估计匝数比以及最大占空比(通过实际计算)min (1)OUT MAX IN MAX V D N V D −= 30000.5522.50.45×=× 162.9=(求出结果后然后取整为Nm )因为匝数比可以根据设计理念修正为M N =165,从而可以产生新的MAX Dmin OUT MAX M IN OUT V D N V V =+ 300022.51653000=×+44.7%=(5) 计算初级平均电流,峰值电流和电流的有效值由于输出功率为24W ,用电流连续模式(CCM )比较适合。
这里取为0.6RP K .min min IN OUT P AVG IN IN P P I V V η== 240.822.5=×1.333A =.1[1]2P AVG P RP MAX I I K D =− 1.333(10.50.6)0.447=−××4.26A=.P RMS P I I ==2.054A =.P RMS I -电流有效值,P I -峰值电流,.P AVG I -平均电流,(RP K R RP PI K I =)电流比例因数,MAX D -最大占空比; 利用Krp 的值可以定量描述开关电源的工作模式,若Krp=1.0,即峰值电流和脉动电流相等,开关电源工作在断续模式;若Krp<1.0,峰值电流大于脉动电流,开关电源工作在连续模式。
反激式开关电源变压器设计反激式开关电源是一种常见的开关电源拓扑结构,具有体积小、效率高、负载适应性强等优点,因此在电子设备中得到广泛应用。
其中重要的组成部分之一是变压器,它起到了转换与隔离功效。
下面将详细介绍如何设计反激式开关电源变压器。
首先,设计反激式开关电源变压器需要确定的参数包括输入电压Vin,输出电压Vout,输出功率Pout,开关频率f,以及变压器变比n。
1.确定变压器的基本参数根据输出功率Pout和输出电压Vout,可以求得输出电流Iout,即Iout=Pout/Vout。
根据变比n,可以求得输入电流Iin,即Iin=Iout/n。
2.计算变压器的工作点电流为了保证变压器工作的稳定性和可靠性,需要计算变压器的工作点电流。
工作点电流最大值的计算公式是Ipk=(1.1-1.2)*Iin,其中1.1-1.2是一个经验系数。
通过计算得到的Ipk,可以计算得到变压器的直流电压Vdc,即Vdc=Vin*(1-1/n)。
3.计算变压器的直流电感为了保证变压器的工作效率和响应速度,需要计算变压器的直流电感。
直流电感的公式是L=Vdc/(f*(1-δ)*Ipk),其中f是开关频率,δ是开关管的占空比。
选择合适的直流电感可以有效降低功率损失。
4.计算变压器的绕组匝数根据变压器的变比n,可以计算得到变压器的绕组匝数。
若变压器的输入绕组匝数是N1,输出绕组匝数是N2,则变比n=N1/N2、根据变比n 和输入电压Vin,可以计算得到输出电压Vout,即Vout=Vin/n。
5.计算变压器的铜损耗和铁损耗变压器的铜损耗和铁损耗是设计中重要的参考因素。
铜损耗的公式是Pcu=Iin^2*R,其中Iin是输入电流,R是变压器的电阻。
铁损耗是根据变压器的磁通密度和磁场强度来计算的。
6.选择合适的变压器尺寸和材料根据以上计算的结果,可以选择适当的变压器尺寸和材料。
变压器的尺寸和材料直接影响着反激式开关电源的体积和效果,需要根据实际需求和设计要求进行选择。
反激变压器设计过程
电源参数
根据功率、输入输出的情况,我们选择反激电源拓扑。
反激式变压器的优点有:
1. 电路简单,能高效提供多路直流输出,因此适合多组输出要求。
2. 转换效率高,损失小。
3. 变压器匝数比值较小。
4. 输入电压在很大的范围内波动时,仍可有较稳定的输出。
设计步骤:
1、决定电源参数。
2、计算电路参数。
3、选择磁芯材料。
4、选择磁芯的形状和尺寸。
5、计算变压器匝数、有效气隙电感系数及气隙长度。
6、选择绕组线圈线径。
7、计算变压器损耗和温升。
原理图
步骤一、确定电源参数:(有些参数为指标给定,有些参数从资料查得)
注:电流比例因数:纹波比例,在重载和低收入情况下的纹波电流和实际电流的比例。
步骤二、计算电路参数:
最低直流输入电压:
Z为损耗分配因数,如果Z=1.0表示所有损耗都在副边,如果Z=0表示所有的损耗都在原边,在这里取Z=0.5表示原副边都存在损耗。
步骤三、选择磁芯材料:
铁氧体材料具有电阻率高,高频损耗小的特点,且有多种材料和磁芯规格满足各要求,加之价格较其它材料低廉,是目前在开关电源中应用最为广泛的材料。
同时也有饱和磁感应比较低,材质脆,不耐冲击,温度性能差的缺点。
采用的是用于开关电源变压器及传输高功率器件的MnZn功率铁氧体材料PC40,其初始磁导率为2300±25%,饱和磁通密度为510mT(25℃时)/390mT(100℃时),居里温度为215℃。
选择磁芯材料为铁氧体,PC40。
步骤四、选择磁芯的形状和尺寸:
高频功率电子电路中离不开磁性材料。
磁性材料主要用于电路中的 变压
器、扼流圈(包括谐振电感器)中。
变压器是整个电源供应器的重要核心,所以变压器的计算及验证是很重要的。
磁性材料(Magnetic materials)有个磁饱和问题。
如果磁路饱和,会导致变压器电量传递畸变,使得电感器电感量减小等。
对于电源来说,有效电感量的减小,电源输出纹波将增加, 并且通过开关管的峰值电流将增加。
这样可能使得开关管的工作 点超出安全工作区,从而造成开关管寿命的缩短或损坏。
磁性材料的另一个问题就是居里点温度
(Curie Temperature)。
在这一温度下,材料的磁特性会发生急剧变化。
特别是该材料会 从强磁物质变成顺磁性物质,即磁导率迅速减小几个数量级。
实 际上,它几乎转变为和空气磁芯等效。
一些铁淦氧(ferrites)的居里 点可以低到130oC左右。
因此一定要注意磁性材料的工作温度。
简单的说就是两个问题:
1. 饱和——引起电感量减小
2. 居里温度——磁导率减小
所以选择变压器的时候,我们需要充分考虑两个问题:
1、磁通量必须满足,避免饱和。
2、温度不能太高。
所以我们需要先计算变压器铁心磁饱和的磁通量的最大值B(max)
决定变压器的材质及尺寸:
依据变压器计算公式
B(max)的计算结果,不要超过我们选型的铁心的额定值,并进行降额、并考虑外壳导致散热不良带来的影响,并留有余量。
B(max)的算法有两种,
面积相乘法(AP法)
几何参数法(KG 法)
推导过程比较复杂和繁琐,此处不进行展开。
在这里用面积乘积公式粗选变压器的磁芯形状和尺寸。
具体公式如下:
反激变压器工作在第一象限,最高磁密应留有余度,故选取B MAX=0.3T,反激变压器的系数K1=0.0085(K1是反激变压器在自然冷却的情况下,电流密度取
420A/cm2时的经验值。
)
磁芯型号:查EPC磁芯系列—EPC19,磁芯参数为:
磁芯有效截面积:A e=22.7mm2
磁芯窗口面积:Aw=50mm2
磁路长度:Le=0.461mm
无气隙电感系数:Al=940nH/T2
磁芯体积:Ve=0.9cm3
骨架绕线宽度:Bw=11.9mm
EPC磁芯主要为平面变压器设计的,具有中柱长,漏感小的特点。
EPC19磁芯的AP值约为0.11cm4,稍大于计算所需的AP=0.09 cm4。
若再选用小一号的磁芯EFD15,其AP值约为0.047 cm4,小于计算所需的AP=0.09 cm4,不符合要求,故选用EPC19磁芯。
步骤五、计算变压器各绕组匝数、有效气隙电感系数及气隙长度:
1、法拉第电磁感应定律
电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通变化率成正比,若感应电动势用
表示,则
,这就是法拉第电磁感应定律。
若闭合电路为一个
匝的线圈,则又可表示为:。
式中,
为线圈匝数,
为磁通量变化量,单位
,
为发生变化所用时间,单位为
,
为产生的感应电动势,单位为。
电感欧姆定律方程:V=L*(dI/dt)
所以推导得到电流型方程:
N*A*B=L*I
原边绕组匝数:
当电感、电流、匝数、面积确定的情况下,磁饱和密度也就确定了。
换句话说:我们为了达到一定的磁饱和密度,需要增加匝数来实现。
当原边的匝数满足要求之后,我们通过匝数比关系,可以计算副边匝数要求。
步骤六、选择绕组导线线径:
满足磁通量的同时我们还需要考虑电流和空间的问题。
决定变压器线径及线数:
当变压器决定后,变压器的Bobbin(骨架)即可决定,依据Bobbin(骨架)的槽宽,可决定变压器的线径及线数,亦可计算出线径的电流密度,电流密度一般以6A/mm2为参考,电流密度对变压器的设计而言,只能当做参考值,最终应以温升记录为准。
变压器有效的骨架宽度:
LX为原边绕组层数,在这里采用4层。
M为线圈每端需要的爬电距离,在这里取2mm。
(爬电距离是沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间的最短路径。
)
骨架绕线宽度:Bw=11.9mm
计算原边绕组导线允许的最大直径(漆包线):
根据上述计算数据可采用裸线径DIA=0.23mm的漆包线绕置,其带漆皮外径为0.27mm,刚好4层可以绕下。
根据所选线径计算原边绕组的电流密度:
计算副边绕组导线允许的最大直径(漆包线):
根据上述计算数据可采用裸线径DIASS=0.72mm的漆包线绕置,但由于在温度100℃、工作频率为60KHz时铜线的集肤深度:
而0.72mm大于了2倍的集肤深度,使铜线的利用率降低,故采用两根0.35mm 的漆包线并绕。
自供电绕组线径:由于自供电绕组的电流非常小只有5mA,因此对线径要求并不是很严格,在这里主要考虑为便于与次级更好的耦合及机械强度,因此也采用裸线径为0.35mm的漆包线进行绕置,使其刚好一层绕下,减小与次级之间的漏感,保证短路时使自供电电压降低。
步骤七、计算变压器损耗和温升
变压器的损耗主要由线圈损耗及磁芯损耗两部分组成,下面分别计算:1)线圈损耗:
为100℃铜的电阻率为2.3×10-6(∙cm );为原边绕组的线圈长度,实测为360cm;A为原边0.23mm漆包线的截面积。
d为原边漆包线直径0.23mm,s为导线中心距0.27mm,为集肤深度0.31mm。
原边交流电阻与直流电阻比:由于原边采用包绕法,故原边绕组层数可按两层考虑,根据上式所求的Q值,查得。
为100℃铜的电阻率为2.3×10-6(∙cm );为副边绕组的线圈长度,实测为80cm;A为副边两根0.38mm漆包线的截面积。
d为副边漆包线直径0.35mm,s为导线中心距0.41mm,
为集肤深度0.31mm。
副边交流电阻与直流电阻比:副边绕组层数为一层,根据上式所求的Q值,查得:
2)磁芯损耗:
Pcv为磁芯功率损耗,由峰值磁通密度摆幅、工作频率60KHz及工作温度100℃可在厂家手册上查出其损耗约为30mw/cm3。
Ve为EPC19的体积0.105cm3。
总结:通过上述计算可知,当环境温度为85℃时,变压器最高温度在96℃左右,符合磁芯的最佳工作温度。
同时采用包绕法使得漏感仅为70uH(1KHz 时)/15uH(100KHz时),小于3%,效果较理想。