开关电源变压器设计方案

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

2、计/、八1. 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( CCM )( DCM ) 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 高输入电压，轻载条件下变压器工作在非连续电流模式2. 变压器设计原则Class A 的绝对温度不超过 90°C； 温升 安规对变压器温升有严格的规定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，因此如何将变

3、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： Vacm in 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：n最大温升：40 °C4.0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 :0.8 Vd > V in max / N + V o比°.8 Vmos > NN min < N < N ma

4、xN=Np MA _(Vo+ Vf) + V in max+ Vf -开关悴OFF(a)幵关竹ON1<2Vinmiii4.3确定最低输入电压和最大占空比输入滤波电容：2F3yF/W 最低输入电压（假设tc=3ms ）V in minr-201113最低输入电压，最大功率时，占空比最大Dmaxmax4.4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DCMATpAfpAlpDCMDCMCCM4.5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/

5、3Po max时，变换器工作在 BCMPo < 1/3Po max时，变换器工作在 DCMPo > 1/3Po max时，变换器工作在 CCMI in-avg =变压器初级临界电流峰值BCM模式下，最小输入电压时的平均输入电流Ip1 = Ipk1 =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on maxDmax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Bm -j是电流密度，取j =

6、 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%Ns / (V°+ Vf )次级绕组匝数Ns = Np / N 辅助绕组匝数 Ng = ( Vcc + 1 )气隙长度：lg =4.9满载时峰值电流CCM时 ，T on max 固定不变输入电压不变，BCM的Ton max等于CCM的 T on maxTon max内，电感电流线形上升增量Ip1 =Ip2低输

7、入电压，满载条件下Pon Lp (|2pk2 |2pk0 )变压器初级峰值电流I pk2 =4.10最大工作磁芯密度Bmaxmax< B sat如果Bmax<Bsat，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 - 电流直流分量：ldc = Dmax la 电流有效值：1 prms = I a电流交流分量：lac = la4.12计算原边绕组、副边绕组的线径，估算窗口占有率导线的横截面积自然冷却时，一般取电流密度j = 4A / mm2初级绕组：Sp = lprms ( A ) / 4 ( A / mm2 )

8、副边绕组：Ss = lsrms ( A ) / 4 ( A / mm 2 )集肤深度5 = 6.61 /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KoAwNp+ Ns+ Ncc线径及根数4.13计算绕组的铜损根据导线的电阻和集肤深度，确定每个绕组的铜损耗 总损耗一定要小于预算损耗，温升经验公式4.14变压器绕线结构及工艺骨架的选取：累计高度、宽度绕法：初级和次级交错式(三明治)绕法：漏感小屏蔽层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：90Vac265Vac输入频率：50Hz输出电压：12V输出

9、电流：1.0A输出功率：Po=12W开关频率：50kHz预估效率：0.75输入最大功率：Pin=16W变压器最大温升：40 C5.2开关管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 Vd > Vin max / N + V。0.8100 > 375 / N +120.8 Vmos > N ( Vo + Vf ) + Vin max0.8600 > N( 12 + 0.5 ) +3755.5 < N < 8.45.4最低输入电压和最大占

10、空比选择 Cin=22F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 AIpi = Ipki = 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 = 9.82.7mH变压器初级电感量：Lp =5.7变压器磁芯面积APp =0.066 cm（铁氧体磁芯 Bsat =3900G，取 Bm = 1600G ）查表2EF20Ae = 0.335 cm ， Aw = 0.6048 cmAP = Aw * Ae = 0.202 cm> 0.066 cm5.8变压器初级匝数、次

11、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 = 1923 / 12.535 Tslg =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 电流直流值Ipa = 0.42AIpdc = 0.20A电流有效值Iprms = 0.29A电流交流值Ipac = 0.208A副边各电流: 电流直流值 电流中值Isdc = 1A电流有效值Isrms

12、= 1.38AIsa = 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 5 = 6.61 /= 6.61 /= 0.29 cm导线的横截面积：电流密度j = 4.25A / mm初级绕组：Sp=0.068mm 2 0.25mm > 1P Rdc = 4.523m Q /cm ( 100 C )Vcc绕组:Scc = 0.1/4.2 = 0.024mm 0.1mmx 2P窗口占有率：0.460.4814024.213.60.1252 + 23OK0.22 + 350.0825.12 计算绕组的铜损平均匝长lav = 23.5

13、 mm各绕组绕线长度：原边 Inp = 140 送3.5 = 329 cm副边 Ins = 23 >23.5 = 54.0 cm各绕组直、交流电阻：原边 Rpdc = 1.45 QR pac =2.38 Q副边R =0.024 Q R =0.038 QVcc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 B = 0.15T时为80mW / cm铁损 PFe = 801.5 = 0.12 W估算温升总损耗Pioss = 0.12 + 0.30 = 0.42 W经验公式T= 22C < 40C设计 OK5.14 变

14、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=2.9mm副边绕组：Ss = 0.328mm 2 0.40mmK 2P Rdc = 0.892m Q /cm ( 100 C )0.25mm，最大外径 0.275mm0.40mm，最大外径 0.52mm0.10mm，最大外径 0.13mm 总高度W1=9.62mmW2=11.9mm每层35T,每层23T,每层 35T, W3=9.1mm(0.1m> 2P)+绝缘带=0.275 >4 + 0.52 鬼0.13>+ 0.03>= 2.74 mm绕线结构次级一初级一次级StepWindingMaterialStartTurnsFinishRemark1N1Triple iiisulatioiL 0,40*1A23BN1&N6 with TEFLON Tube.N2.N3.N4.N5 without TEFLON Tube-TAPETAPE W= 12nun (