开关电源中变压器的应用

开关电源中变压器的应用

由于其高效、体积小、性能稳定等优点，现代锂电器逐渐取代了传统的线性电源，并在电子、证券交易所和家电行业得到了广泛应用。单端反激式拓扑结构的变压器,在多路输出情况下电路简单,成本较低且具有效率高等优点,被越来越多地应用在中小功率的开关电源中。1变压器t上负下正反激式开关电源变压器实质上是一个耦合电感,它具有变压,电气隔离,磁耦合传送能量等作用,基于TOPSwitch-GX的典型反激式开关电源电路图如图1所示。T为变压器,TOP-Switch-GX内部的MOSFET导通时,电流由漏极D经过内部MOSFET管流向源极S,使变压器T初级绕组两端的电压为上正下负,而同名端与初级绕组相反的次级绕组的电压相位是上负下正,此时次级整流二极管D2被反向偏置而截止,能量储存在变压器中,负载电流由输出电容C2供电;当芯片内部MOS-FET截止时,初级绕组两端电压极性反向,使次级绕组相位变为上正下负,整流二极管D2被正向偏置而导通,此时储存在变压器中的能量开始向负载和输出电容传递。2反激式变换器参数设计设计的变压器要求在交流输入电压为165V~265V的开关电源中能够提供八路电压输出。这八路输出参数分别为:2路共地输出±14V/0.2A;3路独立地15V/0.2A,1路独立地15V/0.5A;2路独立地±5V/2A。设计变压器工作在CCM模式下,具体步骤如下。(1)已知参数的确定根据设计要求和电路特点确定以下参数:输入直流电压范围Vinmin~Vinmax,工作频率f=66kHz,期望效率η=0.85,多组输出电压值V0,输出功率Pout=50W,开关管导通压降Vds=10V。因为变压器要求有八路输出,所以选择窗口长宽比例较大的EI磁芯,方便绕组绕制。根据功率要求选取PC40材质的EI40磁芯,磁芯窗口面积Ae=148mm2,骨架窗口面积Aw=110mm2,它最大能提供80W的功率输出,满足设计需求。(2)反射输出电压Vor对于TOPSwitch-GX芯片,反射输出电压Vor取135V时输出功率最大,单路输出时Vor取120V,多路输出时Vor取100V。这样取值可以提高交叉稳压精度,也可以使效率达到最优。设计实例中需要变压器能够提供八路输出,因此取Vor=100V。(3)变压器工作模式的确定反激式变换器有两种工作模式:电流连续模式(CCM)和电流断续模式(DCM),工作在什么模式下由初级电感和负载电流决定。CCM相对于DCM可以获得更高的效率,因此设计时采用CCM模式,它的初次级电流波形如图2所示。定义电流波形参数,Ir为初级纹波电流,Ip为初级峰值电流。当Krp<1时,变压器工作在CCM模式;Krp=1时,变压器工作在DCM模式。实例中设定Krp=0.6,开关电源工作在CCM模式。(4)最大占空比Dmax,Vds为TOPSwitch-GX系列芯片漏极与源极间的通态电压,取10V。计算得Dmax=0.35。(5)初级峰值电流Ip由图2(a)根据电流平均值Iave的定义有:(6)初级有效值电流Irms由图2(a)根据电流有效值的定义有:一般计算时,开关电源的损耗全部分配在次级侧。为了计算的Lp值更精确引入损耗分配因子Z。Z=1所有的损耗都在次级侧,Z=0所有的损耗都在初级侧。引入Z之后的效率η'=z(1-ηη)+η,在此处Z=0.5。首先∵Vinmin×Dmax×Ts=Lp×Ip(8)初级绕线匝数Np和初级绕线导体直径Dp初级绕组使用双层绝缘线进行绕制,Np和Dp的取值要满足最大磁通密度Bm、磁芯气隙长度Lg、初级绕组电流密度CMAp和峰值磁通密度Bp的限定范围,同时要考虑趋肤效应对导体直径的限制:1)最大磁通密度Bm,2000≤Bm≤3000,单位为高斯。下式中T表示匝数。2)磁芯气隙长度Lg,要求Lg≥0.1,单位为毫米。当Np的取值在36和54之间时,Lg的取值范围为0.142mm≤Lg≤0.368mm,满足要求。3)初级绕组电流密度CMAp,200≤CMAp≤500,单位为圆·密耳/安培。4)初级绕线导体直径Dp,为了减低趋肤效应的影响,导体直径大小满足下面的公式。5)峰值磁通密度Bp,为了避免变压器在开机和输出过载时磁芯出现饱和,要求Bp≤4200,单位为高斯。,实例选用的TOPSwitch-GX系列芯片的外部限流最大值为Ilimit(max)=1.994A。根据上面的限定范围,进行迭代计算,取Np=48T,Dp=0.35mm时,满足条件。因为设计的变压器功率较大,为了降低层间漏感,初级绕组采用分开的“三明治”结构进行绕制。(9)每个绕组的匝数∴对于5V直流输出的副边绕组匝数,取3匝,此时新的每匝反激电压。根据每匝反激电压计算出其它绕组的匝数。(10)次级峰值电流Isp和次级有效值电流Isrms每路输出的电路阻抗决定了各路输出绕组的电流波形。因为各种因素电路阻抗不会相同,所以每路的输出电流波形也不完全相同,为了简化计算,可以假定所有输出的电流具有相同的波形。Isave=I0,Isrms由电流的波形形状决定,根据图2(b)在假定条件下,K值相同,定义,n=1,2,3;八路输出电流有三种取值分别为Isave(1)=0.2A,Isave(2)=0.5A,Isave(3)=2A对于0.2A:Isp(1)=0.4396A,Isrms(1)=0.2556A(11)次级绕组线径参数Ds次级绕组使用三层绝缘线进行绕制,选取次级导线的导体直径时,要满足以下限定条件:1)次级绕组电流密度CMAs在200~500圆·密耳/安培,且与初级绕组的电流密度取值相差10%以内,;C·M单位为圆·密耳,表示裸线截面积。不同尺寸导线的截面积可以从厂商提供的线材规格表上获得。2)限制Ds<0.5146mm,以减少趋肤效应的影响。3)使用较细导线并联绕制时,从焊接是否容易,磁芯窗口使用系数等多方面选择并联的匝数。对于不同的输出电流值,进行计算:0.2A:Ds(1)=0.25mm,单股绕制;0.5A:Ds(2)=0.28mm,两股并联绕制;2A:Ds(3)=0.40mm,四股并联绕制。(12)反馈绕组的导线直径Db选择反馈绕组的导线尺寸时,主要考虑空间填充率,而不考虑其电流容量。综合考虑选择和初级绕组导线尺寸相同的双层绝缘线进行绕制,Db=0.35mm,两股并联,绕制七匝,使绕组均匀分布在骨架绕线区域上。3序和绕制设计按照设计指标要求,设计的变压器各参数值如图3所示。按照顺时针方向绕线,从箭尾开始到箭头结束;层数从里到外;Ф是导体的直径。变压器绕组的顺序和绕制方式对漏感和EMI影响很大,在设计的过程中应注意:把初级绕组NP分为NP1和NP2进行设计;初级绕组NP1绕制在骨架的第一层;偏置绕组放在初级绕组和次级绕组之间;具有较高功率的次级绕组要最靠近初级绕组绕制;次级绕组和偏置绕组的匝数较少,为了与初级绕组更好的耦合,应使其均匀的分布在整个骨架上,而不是聚在一起;在满足限定条件的前提下,尽量采用多股并联的方式来绕制匝数较少的绕组以增大填充系数来改善耦合强度。4变压器测试结果分析本文详细介绍了工作在电感电流连续模式