ETD39高频变压器

如何一步一步设计开关电源？开关电源设计调试步骤全过程针对开关电源很多人觉得很难，其实不然。

设计一款开关电源并不难，难就难在做精，等你真正入门了，积累一定的经验，再采用分立的结构进行设计就简单多了。

万事开头难，笔者在这就抛砖引玉，慢慢讲解如何一步一步设计开关电源。

开关电源设计的第一步就是看规格，具体的很多人都有接触过，也可以提出来供大家参考，我帮忙分析。

在这里只带大家设计一款宽范围输入的，12V2A的常规隔离开关电源。

1、首先确定功率根据具体要求来选择相应的拓扑结构；这样的一个开关电源多选择反激式(flyback)基本上可以满足要求。

在这里我会更多的选择是经验公式来计算，有需要分析的，可以拿出来再讨论。

2、选择相应的PWMIC和MOS来进行初步的电路原理图设计当我们确定用flyback拓扑进行设计以后，我们需要选择相应的PWMIC和MOS来进行初步的电路原理图设计(sch)。

无论是选择采用分立式的还是集成的都可以自己考虑。

对里面的计算我还会进行分解。

分立式：PWMIC与MOS是分开的，这种优点是功率可以自由搭配，缺点是设计和调试的周期会变长（仅从设计角度来说）；集成式：就是将PWMIC与MOS集成在一个封装里，省去设计者很多的计算和调试分步，适合于刚入门或快速开发的环境。

3、做原理图确定所选择的芯片以后，开始做原理图(sch)，在这里我选用STVIPer53DIP(集成了MOS)进行设计。

设计前最好都先看一下相应的datasheet，确认一下简单的参数。

无论是选用PI的集成，或384x或OBLD等分立的都需要参考一下datasheet。

一般datasheet里都会附有简单的电路原理图，这些原理图是我们的设计依据。

4、确定相应的参数当我们将原理图完成以后，需要确定相应的参数才能进入下一步PCBLayout。

当然不同的公司不同的流程，我们需要遵守相应的流程，养成一个良好的设计习惯，这一步可能会有初步评估，原理图确认，等等，签核完毕后就可以进行计算了。

常用磁芯参数表【EER磁芯】■ 用途：高频开关电源变压器、匹配变压器、扼流变压器等。

【EE磁芯】■ 用途：电源转换用变压器及扼流圈、通讯及其他电子设备变压器、滤波器、电感器及扼流圈、脉冲变压器等。

【ETD磁芯】■ 用途：电源转换用变压器及扼流圈、通讯及其他电子设备变压器、滤波器。

【EI 磁芯】■ 用途：高频开关电源变压器、功率变压器、整流变压器、电压互感器等。

【ET 磁芯】■ 用途：滤波变压器【EFD 磁芯】■ 用途：高频开关电源变压器器、整流变压器、开关变压器等。

【UF 磁芯】■ 用途：整流变压器、脉冲变压器、扼流变压器、电源变压器等。

【PQ 磁芯】■ 用途高频开关电源变压器、整流变压器等。

【RM 磁芯】■ 用途：高频开关电源变压器、整流变压器、屏蔽变压器、脉冲变压器、脉冲功率变压器、扼流变压器、滤波变压器。

【EP 磁芯】■ 用途：功率变压器、宽频变压器、屏蔽变压器、脉冲变压器等。

【H 磁芯】■ 用途：宽带变压器、脉冲变压器、脉冲功率变压器、隔离变压器、滤波变压器、扼流变压器、匹配变压器等。

软磁铁氧体磁芯形状与尺寸标准(一)软磁铁氧体磁芯形状软磁铁氧体是软磁铁氧体材料和软磁铁氧体磁芯的总称。

软磁铁氧体磁芯是用软磁铁氧体材料制成的元件或零件，或是由软磁铁氧体材料根据不同形式组成的磁路。

磁芯的形状基本上由成型（形）模具决定，而成型（形）模具又根据磁芯的形状进行设计与制造。

磁芯按磁力线的路径大致可分两大类；磁芯按具体形状分，有各种各样：磁芯按磁力线路径分类磁芯按使用时磁化过程所产生磁力线的路径可分为开路磁芯和闭路磁芯两类。

第一类为开路磁芯。

这类磁芯的磁路是开启的（open magnetic circuits），通过磁芯的磁通同时要通过周围空间（气隙）才能形成闭合磁路。

开路磁芯的气隙占磁路总长度的相当部分，磁阻很大，磁路中的部分磁通在达到气隙以前就已离开磁芯形成漏磁通。

因而，开路磁芯在磁路各个截面上的磁通不相等，这是开路磁芯的特点。

磁性元器件思考题1. 有一根导线直径d ＝1cm ，置于空气中，流过电流5安培，请问在垂直于导线的平面上，距离导线中心5cm 圆周上，磁场强度H =？B =?（分别用MKS 和CGS 表示）？标出磁场强度方向。

以导线中心为圆心的直径0.5cm 处磁场强度H=?2. 环尺寸如题图2(b)，左边线圈流入2A 电流，右边线圈流入1A电流（题图2(a)），磁导率μr =1000。

请问磁芯中磁场强度H =?,磁感应强度B=?3. 题图1与导线同心放置一个磁导率μr =1000的磁环。

环的内径d =4cm,外径D =6cm,高h =1cm 。

请问磁芯中H ＝? B =? φ=?(分别用MKS 和CGS 单位表示)4. 有一个磁环如题图2(b)，不知道其磁导率是多少。

磁环尺寸内径d =4cm,外径D =6cm, 高h =1cm 。

在环上绕了20匝线圈，测量得到电感量为10μH ，请求出磁环材料的相对磁导率和绝对磁导率。

在CGS 中磁导率是多少？如果给20匝线圈流过0.5A电流，线圈的总磁链是多少？5. 一个磁环的相对磁导率为3000,外径、内径和高分别为38.1mm 、25.4mm 和19.05mm 。

求40匝线圈的电感量。

6. 证明一个气隙磁芯电感的气隙长度δ与磁路长度l c 之比为 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=c c c H l NiB l 0μδ 7. 一个变压器上有3个线圈，测得一个变压器上两个线圈的电感分别为L 1=0.2mH 、L 2=50μH ，L 3=2μH 。

L 3的匝数为3匝,请问L 1 、L 2 的匝数为多少？将L 1与L 2串联测量总电感，L 1再颠倒一次与L 2串联测量一次，分别测得电感量为435μH 和50μH,请问两个线圈之间的互感M ＝？耦合系数k =?8. 能否列举两种以上判断同名端的方法。

请说出判断方法的原理。

9. 请证明两个耦合线圈并联等效电感公式（2-17）。

10. 如果一个变压器不知道初级和次级匝数。

高频变压器设计规范目录1.目的 (2)2.适用范围 (2)3.引用/参考标准或资料 (2)4.术语及其定义 (2)5.规范要求 (2)6.附录 (12)1.目的为了实现高频变压器设计的标准化，为我司工程师在设计变压器过程中提供参考，特制订此规范。

2.适用范围本规范适用于公司所有正激变压器及反激变压器的设计。

3.引用/参考标准或资料无。

4.术语及其定义正激变压器：因其初级线圈被直流电压激励时，次级线圈正好有功率输出而得名。

反激变压器：又称单端反激式变压器或Buck-Boost转换器。

因其输出端在原边绕组断开电源时获得能量故而得名。

5.规范要求5.1高频变压器磁芯材料与几何机构在大多数开关电源的高频变压器中，常用的软磁材料有铁氧体，铁粉芯，恒导合金，非晶态合金及硅钢片。

主要应用软磁材料四个特性：磁导率高、矫顽力小及磁滞回线狭窄、电阻率高、具有较高饱和磁感应强度。

现我司高频变压器通常采用锰锌铁氧体材料。

磁芯厂家都生产了一系列不同材质的磁芯，各厂家有自己的命名规范。

以常用的PC40（TDK命名规范）材质为例，东磁表示为DMR40，天通则表示为TP4，实际性能差异几乎可忽略不计。

通常我们关注的磁芯参数主要有初始磁导率，饱和磁通密度Bs，剩磁Br，矫顽力Hc，功耗Pv，居里温度Tc，在高频变压器的设计以及日后应用过程中，这些参数往往起到非常重要的作用。

图1所示各种磁芯的几何形状有EE型、ETD型、PQ型等多种。

EE型、ETD型、PQ型也是我司高频变压器设计时通常采用的磁芯结构。

每种规格磁芯对应多种尺寸可供选择。

一般每种类型及尺寸的磁芯，其对应的骨架是一定的，变动一般在于pin数和pin针间距的不同，设计者可根据实际应用需求选择，也可以联系骨架厂商进行开模定制。

图5.1 各种几何结构的变压器磁芯图1 磁芯的几何形状5.2高频变压器常用材料介绍上节主要介绍了高频变压器的磁芯特性及结构，除此以外，要构成一个完整的高频变压器，主要材料还有：导线材料，压敏胶带，骨架材料。

乘积为37000H2T，比原来生产的H49材料有更高的值，而N59材料则可使用到f=1MHz以上频率。

改进“性能因子”可从降低材料高频损耗着手，已发现性能因子最大值的频率与材料晶粒尺寸d、交流电阻率ρ有关，考虑到涡流损耗与d2/ρ之间的关系，两者结果是相一致的，见图4。

6．热阻为了得到最佳的功率传输，变压器温升通常分割为二个相等的部分：磁芯损耗引起的温升ΔθFe和铜损引起的温升ΔθCu。

关于磁芯总损耗与温升的关系如图5所示。

对相同尺寸的磁芯（RM14磁芯），采用不同的铁氧体材料（热阻系数不同），其温升值是不同的，其中N67材料有比其它材料更低的热阻。

于是，磁芯温升与磁芯总损耗的关系可用下式表示：ΔθFe=Rth·RFe （5）式中，Rth即为热阻，定义为每瓦特总消散时规定热点处的温升（k/W）。

铁氧体材料的热传导系数，磁芯尺寸及开关对热阻有影响，并可用下述经验公式来表示：Rth=) (6)式中，S：磁芯表面积；d:磁芯尺寸；α：表面热传导系数；λ：磁芯内部热传导系数。

由上式可见，对电源变压器用的铁氧体材料，必须具有低的功率损耗和高的热传导系数。

实际测量表明，图5所示的N67材料显示高的热导性。

从微观结构考虑，高的烧结密度，均匀的晶粒结构，以及晶界里有足够的Ca浓度，将是有高的热导性。

从磁芯尺寸形状考虑，较大磁芯尺寸给出低的热阻，其中ETD磁芯具有优良的热阻特性，见图6；另外无中心孔的RM磁芯（RM14A）显示出比有中心孔磁芯（RM14B）更低的热阻。

对高频电源变压器磁芯，磁芯设计时应尽量增加暴露表面，如扩大背部和外翼，或制成宽而薄的形状（如低矮形RM磁芯，PQ型磁芯等），，均可降低热阻提高通过功率。

7．磁芯总损耗软磁铁氧体磁芯总损耗通常细分为三种类型：磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe和剩余损耗Pr。

每种损耗贡献的频率范围是不同的，磁滞损耗正比于直流磁滞回线的面积，并与频率成线性关系，即Ph=f∮BdH （7）这里，∮BdH等于最大磁通B下测得的直流磁滞回线的等值能。

软磁铁氧体磁芯形状与尺寸标准1 软磁铁氧体磁芯形状软磁铁氧体是软磁铁氧体材料和软磁铁氧体磁芯的总称。

软磁铁氧体磁芯是用软磁铁氧体材料制成的元件或零件，或是由软磁铁氧体材料根据不同形式组成的磁路。

磁芯的形状基本上由成型（形）模具决定，而成型（形）模具又根据磁芯的形状进行设计与制造。

磁芯按磁力线的路径大致可分两大类；磁芯按具体形状分，有各种各样。

1．1 磁芯按磁力线路径分类磁芯按使用时磁化过程所产生磁力线的路径可分为开路磁芯和闭路磁芯两类。

第一类为开路磁芯。

这类磁芯的磁路是开启的（open magnetic circuits），通过磁芯的磁通同时要通过周围空间（气隙）才能形成闭合磁路。

开路磁芯的气隙占磁路总长度的相当部分，磁阻很大，磁路中的部分磁通在达到气隙以前就已离开磁芯形成漏磁通。

因而，开路磁芯在磁路各个截面上的磁通不相等，这是开路磁芯的特点。

由于开路磁芯存在大的气隙，磁路受到退磁场作用，使磁芯的有效磁导率μe比材料的磁导率μi有所降低，降低的程度决定于磁芯的几何形状及尺寸。

开路磁芯有棒形、螺纹形、管形、片形、轴向引线磁芯等等。

IEC 1332《软磁铁氧体材料分类》标准中称开路磁芯为OP类磁芯。

第二类磁芯为闭路磁芯。

这类磁芯的磁路是闭合的（closed magnetic circuits），或基本上是闭合的。

IEC 1332称闭路磁芯为CL类磁芯。

磁路完全闭合的磁芯最典型的是环形磁芯。

此外，还有双孔磁芯、多孔磁芯等等。

目前大量生产和使用的闭路磁芯是组合型的闭磁路磁芯，它由二个相同形状尺寸或不同形状尺寸的磁芯配对后才能形成闭合磁路，为EE、UU磁芯或EI、UI磁芯。

这类磁芯的接触面间可能存在气隙，组合后磁路不一定完全闭合，因此，组合型闭路磁芯的有效磁导率基本上等于磁芯材料的磁导率，但不完全等于磁芯材料的磁导率。

1．2 磁芯按形状分类1．2．1 中国的分类及形状符号SJ／T10213－91《铁氧体材料牌号与元件型号命名方法》规定了我国软磁铁氧体磁芯的类别及形状符号，见表1。

反激式开关电源的设计计算一、反激式开关电源变换器：也称Flyback变换器，是将Buck/Boost变换器的电感变为变压器得到的，因为电路简洁，所用元器件少，成本低，是隔离式变换器中最常用的一种，在100W以下AC-DC变换中普遍使用，特别适合在多输出场合。

其中隔离变压器实际上是耦合电感，注意同名端的接法，原边绕组和副边绕组要紧密耦合，而且用普通导磁材料铁芯时必须有气隙，以保证在最大负载电流时铁芯不饱和。

二、AC-DC变换器的功能框图：交流220V电压经过整流滤波后变成直流电压V1，再由功率开关管（双极型或MOSFET）斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过整流滤波器D、C2，获得所需要的直流输出电压V o。

脉宽调制控制器是其核心，它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通断状态，来调节输出电压的高低，达到稳压目的；锯齿波发生器提供时钟信号；利用误差放大器和比较器构成闭环调节系统。

三、设计步骤：1.基本参数：交流输入电压最小值Umin交流输入电压最大值Umax电网频率Fa：50Hz或60Hz开关频率f：大于20kHz，常用50kHz～200kHz输出电压V o输出功率Po损耗分配系数Z ：代表次级损耗与总损耗的比值，一般取0.5电源效率k ：一般取75～85%。

低电压（5V 以下）输出时，效率可取75%，高压（12V 以上）输出，效率可取85%；中等电压（5V 到12V 之间）输出，可选80%。

2. 确定输入滤波电容Cin ：对于宽范围交流输入（85～265Vac ），C1/Po 的比例系数取2～3，即每输出1W 功率，对应3uF 电容量 对于100V/115V 交流固定输入，C1/Po 的比例系数取2～3，即每输出1W 功率，对应3uF 电容量 对于230V ±35V 交流固定输入，C1/Po 的比例系数取1，即每输出1W 功率，对应1uF 电容量若采用100V/115V 交流倍压输入方式，需两只容量相同的电容串联，此时C1/Po 的比例系数取23. 直流输入电压最小值Vimin 的计算：in C a O i kC t F P u V ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=21222min min 其中：tc 为整流桥的响应时间，一般为3ms也可以由要求的直流输入电压最小值Vimin 来反推需要的输入滤波电容Cin 的精确值：)2(2122min 2min i C a O in V u k t F P C −⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−= 4. 确定初级感应电压Vor ：对于宽范围交流输入（85～265Vac ），初级感应电压V or 取135V对于100V/115V 交流固定输入，初级感应电压V or 取60V对于230V ±35V 交流固定输入，初级感应电压V or 取135V5. 确定钳位二极管反向击穿电压Vb ：高温大电流下二极管钳位电压要高于标称值，所以选用TVS 钳位电压Vb=1.5V or对于宽范围交流输入（85～265Vac ），钳位二极管反向击穿电压Vb 取200V对于100V/115V 交流固定输入，钳位二极管反向击穿电压Vb 取90V对于230V ±35V 交流固定输入，钳位二极管反向击穿电压Vb 取200V当功率开关管关断而次级电路处于导通状态时，次级电压会感应到初级上，感应电压V or 就与Vi 叠加后加到开关管漏极上，与此同时初级漏感也释放能量，并在开关管漏极上产生尖峰电压VL 。

磁性元器件考虑题1. 有一根导线直径d ＝1cm ，置于空气中，流过电流5安培，请问在垂直于导线的平面上，间隔 导线中心5cm 圆周上，磁场强度H =？B =?〔分别用MKS 和CGS 表示〕？标出磁场强度方向。

以导线中心为圆心的直径0.5cm 处磁场强度H=?2. 环尺寸如题图2(b)，左边线圈流入2A 电流，右边线圈流入1A电流〔题图2(a)〕，磁导率μr =1000。

请问磁芯中磁场强度H =?,磁感应强度B=?3. 题图1与导线同心放置一个磁导率μr =1000的磁环。

环的内径d =4cm,外径D =6cm,高h =1cm 。

请问磁芯中H ＝? B =? φ=?(分别用MKS 和CGS 单位表示)4. 有一个磁环如题图2(b)，不知道其磁导率是多少。

磁环尺寸内径d =4cm,外径D =6cm, 高h =1cm 。

在环上绕了20匝线圈，测量得到电感量为10μH ，恳求出磁环材料的相对磁导率和绝对磁导率。

在CGS 中磁导率是多少？假设给20匝线圈流过0.5A电流，线圈的总磁链是多少？5.6. 证明一个气隙磁芯电感的气隙长度δ与磁路长度l c 之比为 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=c c c H l NiB l 0μδ 7. 一个变压器上有3个线圈，测得一个变压器上两个线圈的电感分别为L 1=0.2mH 、L 2=50μH ，L 3=2μH 。

L 3的匝数为3匝,请问L 1 、L 2 的匝数为多少？将L 1与L 2串联测量总电感，L 1再颠倒一次与L 2串联测量一次，分别测得电感量为435μH 和50μH,请问两个线圈之间的互感M ＝？耦合系数k =?8. 能否列举两种以上判断同名端的方法。

请说出判断方法的原理。

9. 请证明两个耦合线圈并联等效电感公式〔2-17〕。

10. 假设一个变压器不知道初级和次级匝数。

有人想法在变压器线圈上增绕了5匝线圈，他通过测量就知道初级和次级匝数和同名端。

你能想像他是如何测量的？说出他可能用那些方法测量？说出每种测量原理？11. 一个工频变压器变比n =5，初级电压为220V ，次级直接接到一个电阻负载，次级电流I 2＝10A 。