开关电源变压器设计

1、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最大工作磁芯密度 Bmax 计算变压器初级电流、副边电流的有效值 计算原边绕组、副边绕组的线径，估算窗口占有率 计算绕组的铜损4.9 满载时峰值电流4.104.114.124.13 4.14 变压器绕线结构及工艺5. 实例设计 12W Flyback 变压器设

2、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 90°C；Class B不能超过110°C。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，

3、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： 输入频率： 输出电压： 输出电流： 工作频率： 输出功率： 预估效率： 最大温升：Vacmin Vacmax fLVoIofSPo4.0 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 ON0.8 Vd > Vin max / N + V。开关 OFF ：O.8 VMOS > N( Vo+ V F

4、)+ 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：2F3F/W 最低输入电压（假设tc=3ms ）V in min= 042最低输入电压，最大功率时，占空比最大DmaxN'Vo+Vf)Dmax =川（卩。+尸）+内7!加方 4.4反激变换器的工作过程分析DCM BCM CCM 的过程直工作在DCM低输入电压时，负载从轻载到重载，变压器经历从 高输入电压时，负载从轻载到重载，变压器4.5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Po = 1/3Po max时，变换器工作在Po < 1/3Po max时

5、，变换器工作在Po > 1/3Po max时，变换器工作在(Pomax)的条件计算BCMDCMCCMBCM模式下，最小输入电压时的平均输入电流pHimmnlin-avg变压器初级临界电流峰值A| p1 = I pk14.6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1Ton max = f£ X Dmax变压器初级电感量卩in诞吮X Ton waxLp =A/pi4.7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 = 2 X q XX Kf X L X B划 X jKo是窗口的铜填充系数：取 Ko=0.4Kc是磁芯填充系数；对于铁

6、氧体磁芯取Kc=1< -BsaiBm是变压器工作磁通密度，取 Bm 2j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 二Wn min * max 乂 08 Ae * Bra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%辅助绕组匝数Ncc = ( Vcc + 1 ) X Ns / ( Vo+ Vf )气隙长度：Ig =4.9满载时峰值电流CCM时 ，T on max 固定不变输入电压不变

7、，BCM的T on max 等于CCMTon max内，电感电流线形上升增量的 Ton maxinrUn onmax切Aipi =Alp2低输入电压，满载条件下Po = 2 X叶 X Lp X (I2pk2 -I2pkO ) X fsIpk2 =卩inmi nA/p22变压器初级峰值电流4.10最大工作磁芯密度BmaxBmaxLp X 城 2 X 血X Np< Bsat如果BmaxVBsat，则证明所选择的磁芯通过，否则应重新选择4.11计算变压器初级电流、副边电流的有效值梯形波电流的中值：la = Ipk - 2*Ip电流直流分量:Idc = Dmax X Ia电流有效值：1 prms

8、 = 1 a电流交流分量:Iac = I aJDgJl 一 Dgj)4.12 计算原边绕组、副边绕组的线径,Ipk2IpOIlslsk2IsO估算窗口占有率ITiinniax导线的横截面积Sp = I prms (A ) / 4 ( A / mm2 )2Ss = I srms (A ) / 4 ( A / mm 2 )自然冷却时，一般取电流密度 j = 4A / mm2 初级绕组： 副边绕组：线径及根数集肤深度S = 6.61 / 也 cm导线线径不超过集肤深度的2倍，若超过集肤深度，则需多股并绕 根据安规要求考虑加一定宽度的挡墙窗口占有率KoAw NpX JI X Rp + Ns X兀 X

9、fij + Ncc X兀 X /?$4.13计算绕组的铜损确定每个绕组的铜损耗温升经验公式根据导线的电阻和集肤深度, 总损耗一定要小于预算损耗,800 X PtN ,At g4.14变压器绕线结构及工艺屏蔽层Naux1/2NPNs1/2N骨架的选取：累计高度、宽度绕法：初级和次级交错式（三明治）绕法：漏感小挡墙Bobbin5.设计实例一12W开关电源变压器设计5.1系统输入规格输入电压： 输入频率： 输出电压： 输出电流： 输出功率： 开关频率： 预估效率：90Vac265Vac50Hz12V1.0APo=12W50kHz0.75输入最大功率：Pin=16W变压器最大温升：40 C5.2开关管

10、MOSFET和输出整流二极管开关管 MOSFET 耐压：Vmos=600V输出二极管：反向压降Vd=100V （正向导通压降Vf=0.5V ）5.3计算变压器匝比0.8 I Vd > Vin max / N + Vo0.8 X 100 > 375 / N +120.8 I Vmos > N I ( Vo + VF ) + V in max0.8 X 600 > N X ( 12 + 0.5 ) +3755.5 < N < 8.45.4最低输入电压和最大占空比选择 Cin=22uF最低输入电压：Vin min = 7T2 X Pfn (-S)Gn1272 _

11、2x16x7x10-322x10'® 站 17V最大占空比：JV'CFo+Ff)6 X 12.5Dmax = N * (卩0+Kf )+V加加 n = 6 X 12,5+77 = 0.495.5计算初级临界电流均值和峰值16Iin-avg = 3x77 = 0.07 A2 X 丿2 x0.07049= 0.285 AA| p1 = |pk1 = Qmax5.6最大导通时间和初级电感量最大导通时间：Ton max1=f£ X Dmax = 9.8 e变压器初级电感量Lp ='ontmxA/pi77x9 8x10"6兀 2.7mH5.7变压器磁

12、芯面积12 X 102=0.066 cmAPp = 2 xO.75x0.42 x 50 x 10 x 1600 x4（铁氧体磁芯 Bsat =3900G，取 Bm = 1600G ）查表2 2EF20Ae = 0.335 cm 2，Aw = 0.6048 cmAP = Aw * 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 =0.335 X160'077X93 10" X108=140.7 取 Np 二 140 TsNs = 140 / 6 = 23.3 Ts取 Ns = 23 TsNcc = 19

13、X 23 / 12.5咯 35 Ts0.47rx33.5x 14*Ig =2.6=0.2 mm5.9满载时峰值电流、最大工作磁通密度PO/T16Ipk2 = VinmnxDTmx+ 2= 77X0.49 + 0.14 = 0.56 ALp x/pk2Bmax = Aexffp2.6x10一m X 0,56.eQX 10=3100G < 3900G0.335x1405.10 变压器初级电流、副边电流的有效值原边各电流:电流中值 电流直流值Ipa = 0.42A bdc = 0.20A电流有效值 电流交流值Iprms = 0.29AIp ac = 0.208A副边各电流: 电流直流值 电流中

14、值Isdc = 1AIsa = 1.92A电流有效值电流交流值Isrms = 1.38AIac = 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 S = 6.61 / VK=6.61 / 如X佃 =0.29 cm导线的横截面积：电流密度j = 4.25A / mm 2初级绕组:Sp=0.068mm 2t 0.25mm x 1PtRdc = 4.523m Q /cm ( 100 C )副边绕组:Ss = 0.328mm 2宀 0.40mm< 2Pt Rdc = 0.892m Q /cm ( 100 °C )Vcc绕组:Scc = 0.1/4.2

15、= 0.024mm 2 t 0.1mmX 2P窗口占有率：0.4 X 60.48 2 140 X nX 0.1252+ 23 X HX 0.22 + 35 XHX0.08224.213.6 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 iNp = 140 >3.5 = 329 cm副边 Ins = 23 >3.5 = 54.0 cm各绕组直、交流电阻：原边 Rpde = 1.45 QRpac=2.38 Q副边 Rsdc =0.024 QRsac=0.038 QVcc绕组电流过小，忽略绕组损耗各绕组损耗:Pu = 0.30WPppr-msEnnsR

16、p必+ 弟必 X Rpg 二 0.22WRM【爲X R宓5.13 计算绕组的铁损计算铁损：查磁芯损耗曲线,P C40A B = 0.15T 时为 80mW / cm 3铁损 PFe = 80 X 1.5 = 0.12 W估算温升总损耗 P loss = 0.12 + 0.30 = 0.42 W800 X 0.42经验公式At 臥 34xW33.5 x60.48 = 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=2.9mm0.25mm，最大外径 0.275mm0.40mm，最大外径 0.52mm0.10mm，最大外径 0.13mm总高度=0.275 >4 + 0.52每层 35T，W1=9.62mm每层 23T，W2=11.9mm每层 35T，W3=9.1mm(0.1m> 2P)> + 0.13>+ 0.03>= 2.74 mmNcc绝缘带Np 4层Bobbin绕线结构次级7初级7次级StepWindingMaterialStartTurnsFinish1XITriple iiisulanoii. 0,40 C*!A23BTAPETAPE W= 12111111 (Y)13X20忙2L