反激式开关电源变压器设计(2)

反激式开关电源变压器设计学习培训教材反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材一、变压器的设计步骤和计算公式：1.1变压器的技术要求:输入电压范围；输出电压和电流值；输出电压精度；效率η；磁芯型号；工作频率f；最大导通占空比Dmax；最大工作磁通密度Bmax;其它要求。1.2估算输入功率，输出电压，输入电流和峰值电流:1）估算总的输出功率：Po=V01xI01+V02xI02……2）估算输入功率：Pin=Po/η3）计算最小和最大输入电流电压Vin(MIN)=ACMINx1.414(DCV)Vin(MAX)=ACMAXx1.414(DCV)反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材4）计算最小和最大输入电流电流Iin(MIN)=PINxVIN(MAX)Iin(MAX)=PINxVIN(MIN)5）估算峰值电流：KPOUTIPK=VIN(MIN)其中：K=1.4(Buck、推挽和全桥电路）K=2.8(半桥和正激电路）K=5.5(Boost，Buck-Boost和反激电路）反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材1.3确定磁芯尺寸确定磁芯尺寸有两种形式，第一种按制造厂提供的图表，按各种磁芯可传递的能量来选择磁芯，例如下表：表一输出功率与大致的磁芯尺寸的关系输出功率/WMPP环形E-E、E-L等磁芯磁芯直径/（in/mm)(每边)/(in/mm)50.65(16)0.5(11)250.80(20)1.1(30)501.1(30)1.4(35)1001.5(38)1.8(47)2502.0(51)2.4(60)反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材第二种是计算方式，首先假定变压器是单绕组，每增加一个绕组并考虑安规要求，就需增加绕组面积和磁芯尺寸，用“窗口利用因数”来修整。单绕组电感磁芯尺寸按下式计算：0.68Poutdwx105Ap=AwAe=Bmaxf式中：dw------一次绕组导线截面积，单位为：cm2；Bmax----最大工作磁通密度，单位为T；f-------工作频率，单位为Hz;Pout----变压器总输出功率，单位为W。窗口利用因数按下表计算。反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材表二变压器窗口利用因数变压器情况窗口反激式变压器1.1一个二次绕组1.2两个或多个二次绕组1.3相互隔离的二次绕组1.4满足UL或CSA标准1.1满足IEC标准1.2法拉第屏屏蔽1.1用下式按变压器情况将各窗口利用因数综合起来Knet=Ka.Kb…最后以下式可以估算出变压器磁芯尺寸A’p=Knet.Ap按照上计算A’P值,加一定裕度,选取相适应的磁芯.反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材1.4计算一次电感最小值LpriVin(min).DmaxLpri=(H)Ipkf式中：f单位为Hz1.5计算磁芯气隙Lgap0.4πLpriIpk.108Lgap=cm2AeB2max其中：Ae=磁芯有效截面积，单位为cm2Bmax=单位为G；Lpri=单位为H。按照计算的气隙量实测出磁芯的AL值。反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材1.6计算一次绕组所需的最大匝数NpriLpriNpri=AL1.7计算二次主绕组（输出功率最大的绕组）所需匝数Ns1Npri(V01+VD1)(1-Dmax)NS1=(匝)Vin(min)Dmax1.8计算二次其它绕组所需匝数Nsn(Von+VDn)Ns1Nsn=(匝)V01+VD1反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材1.9检查相应输出端的电压误差VsnδVsn%=((=N’sn-Vsn)/Vsn)x100%Nsn式中：δVsn%————相应输出电压精度%;Vsn————相应输出电压值；Nsn————计算的相应输出电压匝数；N’sn————选取的整数相应输出电压匝数。如果输出电压不能满足规定的精度，可以将主输出绕组Ns1增加一匝，再计算相应输出绕组匝数，看能否满足相应精度，如果这样修改结果仍不满足要求，只可回到开始阶段，增加一次绕组匝数，重新计算一次绕组匝数,直到满足要求为止，但是增加一次绕组匝数，会使变压器工作磁通密度向小的方向调整,这可能造成在较低输入电压时,输出无法达到额定的电压,所以在变压器设计时要适当的处理好输出电压精度和额定输出电压值的关系.反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材1.10计算和选取绕组导线线径绕组导线线径按下式计算dwn=1.13In(mm)J式中：dwm————相应绕组线径，单位为mm;In————相应绕组额定电流，单位为A；J————电流密度，单位为A/mm2,一般取3-10A/mm2选取各绕组线径后，按下式计算在开关工作频率时导线的趋肤深度，如果导线线径超过趋肤深度，应选用导线截面积相近的多股线绕制。66.1S=(mm)f式中：S————导线趋肤深度，单位为:mm;f————开关工作频率，单位为Hz.反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材1.11计算变压器铜损1）按照选取的磁芯，估算出变压器平均绕组长度MLT。例如对EE型磁芯MLT估算方法如下：MLT=E+D+（E-D）+2C=2E+2C其它型号磁芯估算MLT可依此方法类推。2）按下试计算各绕组铜损Pcun=(Nn*MLT*Rn)In2式中：Pcun——第n绕组铜损，单位为瓦Nn——第n绕组匝数，单位为匝MLT——平均绕组长度，单位为mRn——第n绕组导线每米长电阻，单位为Ω；In2——第n绕组额定电流，单位为A；n——绕组序号，n=1,2,3……反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材3）按下式计算变压器铜损Pcu=Σpcun1.12计算变压器铁损Pc变压器铁损可根据选取的磁芯型号、材质、按照变压器工作频率和磁通密度从磁芯手册中查得.1.13验证变压器损耗是否符合设计要求根据变压器规定的效率η按下式计算变压器的损耗值:PT=Pin-PO=PO/η-PO若PT≥（Pcu+Pc),变压器设计合格，如果计算的（Pcu+Pc)值大于PT值，这时就要依情况调整绕组导线线径或改变磁芯尺寸或材质，以满足变压器的损耗符合要求。反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材2.设计例2.1变压器技术指标输入电压：AC90—240V，50/60Hz输出：DC+5V，额定电流1A，最小电流0.75ADC+12V,额定电流1A，最小电流100mADC-12V,额定电流1A，最小电流100mADC+24V,额定电流1A，最小电流0.25ADC+12V,偏置电流100mA输出电压精度：+5V，+12V：最大+/-5%+24V：最大+/-10%效率：η=80%工作频率：50KHz工作磁通密度：Bmax=2000G安规：VDE反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材2.2估算输入功率、输入电压、输入电流和峰值电流1）输出功率：Po=5V*1A+2*12V*1A+24V*1.5A=65W2)输入功率：Pin=Po/η=65W/0.8=81.25W3)最低输入电压：Vin(min)=AC90V*1.414=DC127V4)最高输入电压：Vin(max)=AC240V*1.414=DC340V5)最大平均输入电流：Iin(max)=Pin/Vin(min)=81.25WDC127V=DC0.64A6)最小平均输入电流：Iin(min)=Pin/Vin(max)=81.25WDC340V=DC0.24A7)峰值电流：Ipk=5.5Po/Vin(min)=5.5*65W/127V=2.81A2.3确定磁芯型号尺寸按照表1，65W可选用每边约35mm的EE35/35/10材料为PC30磁芯磁芯Ae=100mm2,Acw=188mm2,W=40.6g2.4计算一次电感最小值LpriVin(min).Dmax127*0.5Lpri===452*10-6H=452uHIpk.f2.81*50*103此处选Dmax=0.5反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材2.5计算磁芯气隙Lgap值0.4πLpri.Ipk*1080.4π*452*10-6*2.81*108Lgap===0.04cm=0.4mmAeB2max1*(2000)2查表，EE35/35/10AL=120uH/N2Lgap约为0.5mm2.6计算一次绕组最大匝数NpriLpri452*10-6Npri===61.4匝取Npri=62匝AL120*10-92.7计算二次主绕组匝数NS1（NS1为DC+5V绕组）Npri(V01+VD)(1-Dmax)62*(5+0.7)*(1-0.5)Ns1===2.78匝Vin(min)Dmax127*0.5取Ns1=3匝此处整流二极管压降VD=0.7V反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材2.8计算其它次级绕组匝数(Von+VDn)Ns1Nsn=V01+VD1(12+0.7)*3+12VNsn==6.68匝取7匝5+0.7(24+0.7)*3+24VNs24==13匝取13匝5+0.7反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材2.9检查相应输出端电压误差VsnδVsn%=((=*Ns’n-Vsn)/Vsn)*100%Nsn12+12VδVS12%=((=*7-12)12)*100%=4.79%6.6824+24VδVS24%=((=*13-24)24)*100%=0%13电压误差均符合要求。2.10计算和选取绕组导线线径dwn=1.13InJ反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材计算趋肤深度66.166.1S===0.29mmf50*103一次绕组：dwp=1.130.64=0.52取0.5mm3二次绕组：+5Vdwn1=1.131=0.65取0.5mm6股3+12V,0.5,4股-12V,0.5,2股+24V,0.5,2股偏置,0.4,单股反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材变压器绕组结构的设计变压器线路图如下：0.5/31匝0.5*2/6匝0.5/31匝0.5*4/4匝0.5*6/3匝0.4/7匝0.5*2/7匝反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材变压器绕制结构如下：0.06/3层@@@@@@@@@@@@偏置绕组0.06/3层@@@@@@@@@@@@½一次绕组0.06/3层@@@@@@@@@@@@二次绕组0.06/3层@@@@@@@@@@@@½一次绕组3mm3mm反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材2.11计算变压器损耗1）铜损：Pcun=NnV*MLT*Rn)In2MLT=2E+2C=2*25.27+2*9.35=69.24mm初级铜损：Pcup=(62*69.24*10-3*0.085)0.642=0.15W149W次级铜损：Pcu+5V=(3*69.24*10-3*0.085/6)32=0.026W0.07WPcu+12V=(4*69.24*10-3*0.085/4)22=0.024W0.06WPcu+24V=(6*69.24*10-3*0.085/2)12=0.018W0.05WPcu-12V=(7*69.24*10-3*0.085/2)12=0.021W0.06W总铜损：Pcu=0.15+0.026+0.024+0.018+0.021=0.239W2)铁损：PC30磁芯在50KHz,2000G时损耗=250mw/cm3=52mw/gPc=250*10-3*40.6=2.1W4.83)变压器总损耗PDT=PCU+PC=0.239+2.1=2.339=2.34W反激式开关电源变压器设计(2)技术部培训教材4)开关电源总损耗估算：基于MOSFET的反激式变换器的经验方法，开关电源损耗的35%是由MOSFET产生，60%号整流部分产生，其余是变压器的损耗。效率为80%时，本开关电源总损耗为16.25W.a.MOSFET:PDM=16.25W*0.35=5.7Wb.整流部分：PD+5V=(5/65）（16.25W）（0.6）=0.75WPD+12V=(12*2/65）（16.25W）（0.6）=3.6WPD+24V=(24/65）（16.25W）（0.6）=3