Flyback开关电源变压器设计方法

Flyback开关电源变压器设计方法一.概述：反激式开关电源因其结构简单，容易形成多路输出，转换效率高，输入电压范围广，变压器匝数比小等特点，深受电源开发工程师的喜爱。但其缺点也很明显：变压器中含直流成分，磁芯需开气隙，否则易饱和；输出电压纹波较大，负载调整率不高，输出功率受限，多用于150W下的小功率电源和适配器；变压器通常工作在DCM和CCM两个模式下，电源设计的难点和重点都在变压器设计。下面本人根据自己的实验心得，讲述一下反激式电源变压器的设计方法。二.设计过程：1.设计步骤：1)系统参数的设定：输入电压：Vacmin～Vacmax。输入频率fin。输出电压Vo。输出电流Io。系统工作频率fs。输出功率Po。预估效率η。输入功率Pin=Po/η。输入滤波电容：Cin，该容值决定了变压器工作的最低电压。MOS管最高耐压：Vmos。整流二极管导通电压和最高耐压：Vf和Vd。K值：系统在最低输入电压Vinmin及最大负载条件下（即低压满载），初级线圈电流交流分量峰值ΔIp与电流峰值Ipp的比值（图1）：2)确定最小输入电压Vinmin和最大输入电压Vinmax根据1W~2uF的关系选择输入滤波电容Cin，则212*()2*(2min)3.................................(1)CCPintfinVinVacCinms，其中t（图2）max2*max...........(2)VinVac图23)选取MOS管和输出二极管，确定初次级匝数比N和最大占空比Dmax选择最高耐压Vmos的MOS管，最高反向耐压Vd和导通压降Vf的二极管。图3如图3，反激式电源在MOS管导通时刻，初级绕组蓄能，次级绕组不导通，次级二极管承受反向压降，要求（取15%的余量）：max0.85*...................(3)VinVoVdNMOS管截止时刻，次级绕组导通，同时次级电压耦合给初级，MOS管承受高压，要求（取15%的余量）：max*()0.85*..............(4)VinNVoVfVmos由(3)和(4)，得到minmax..................(5)NNN选取N值。最大占空比Dmax出现在最低电压输入Vinmin，最大输出负载时：*()max...............(6)*()minNVoVfDNVoVfVin可以看出，N越小，Dmax越小。4)选取K值，计算变压器初级电感量LpK值的选择，决定了系统工作的模式。一般来说，输出功率较大时，变压器的工作过程：低电压输入时，从轻载到重载，变压器经历DCM—BCM—CCM的模式切换；高电压输入时，从轻载到重载，变压器一直工作在DCM模式。输出功率较小时，系统始终工作在DCM模式。通常，Po10W，取K=1；10WPo20W，取K=0.8~1；20WPo30W，取K=0.6~0.8；Po30W，取K=0.4~0.6K值的选取越大，电流上升的速率Kimos就越快，一般要求该值不大于MOS管上升速率或下降速率的1%（如4N60，上升时间和下降时间最大为100ns，则其最小速率为40A/us，Kimos不应超过0.4A/us）。选取K值后，低压满载时初级线圈中ΔIp，Ipp和平均电流Ipa有如下关系，如图4：*...............................(7)(1)*................(8)2................(9)*minpppppappOpaIKIIIKIPIVin其中，图4由公式计算初级绕组电感量Lp,min*maxmin*max.....(10)*ppSpVinTonVinDLIfI因磁芯的初始导磁率不尽相同，为保证变压器具有足够气隙，应调整K值和N值，尽量使Lp小于2mH。5)变压器的选择变压器的设计有两个重要目标：温升和成本。若在乎散热问题，可选择磁芯损耗（Coreloss）较小体积较大的磁芯（如MPP磁芯）；若对成本和体积较敏感，PC30，PC40，EE/EI等磁芯是不错的选择。变压器磁芯的选择可通过面积乘积方法来进行。磁芯选择后，其磁芯有效横截面积Ae和磁芯窗口面积Aw是确定的。基于系统参数计算的面积乘积公式：60*10.......(11)2******pCSmPoAPKKfBj若*pewAPAA，说明磁芯可以使用。（11）式中，K0为窗口铜填充系数，一般取0.4；Kc为磁芯填充系数，对铁氧体磁芯一般取1；Bm为变压器的工作磁芯密度，查找磁芯参数表，一般取100℃下的()*0.6SrBB，Bs为磁芯饱和磁通密度，Br为磁芯剩余磁通密度。J为电流密度，自然散热下5A/mm2（CLASSA要求），7A/mm2（CLASSB要求），一般取5A/mm2。6)计算初级、次级、辅助绕组匝数和气隙长度初级绕组匝数：min*max...............(12)*PemVinTonNAB次级绕组匝数：/.............(13)SPNNN辅助绕组匝数（Vcc为PWM芯片工作电压）：(1)*..................(14)CCSCCOfVNNVV气隙长度：20.4**.........(15)ePgPANlL为保证给磁芯研磨足够空间（通常0.3mm），lg一般要求不小于0.4mm。可通过调整Bm，K来改变lg。7)变压器磁芯选择的验证磁芯和磁芯工作磁通密度Bm选定后，需要验证其可行性。在低压满载情况下，初级绕组线圈中电流包含直流分量和交流分量，分别形成直流磁通密度Bdc和交流磁通Bac，如图5。图5其中，03*..............................(16)***...........(17)*10PPacPePpadcgLIBNANIBl若@100C2acMAXdcSBBBB，且则磁芯选择通过，否则需适当调整K值和Bm，否则需重新选择磁芯。8)计算低压满载状态下，初级次级绕组电流的平均值，有效值，直流分量，交流分量梯形波形的中值Ia：................(18)2PaIIII电流直流分量Idc：*......................(19)dcaMAXIID电流有效值Irms：maxmax2200max2211212................................................(20)ononTTRMSaonMAXaaMAXIIIidtItdtTTTIDIID电流交流分量Iac：221......(21)acRMSdcaMAXMAXIIIIDD根据以上公式可计算出各绕组电流有效值（Iprms，Isrms，Iccrms），直流分量（Ipdc，Isdc，Iccdc）和交流分量（Ipac，Isac，Iccac）。9)集肤深度和导线线径选择集肤深度公式：66.1..............................(22)Sf计算导线线径时，应满足导线线径不超过集肤深度的2倍。若超过，需多股并绕。10)计算各绕组所需导线线径及股数在选定的电流密度j下，各绕组所需导线横截面积S和导线线径d0：02*2*.............................(23)*RMSISdjj若d0大于2*δ，需多股并绕。选定导线线径d后，导线股数n：24*.............................(24)**RMSIndj根据（23）（24）公式可选取各级绕组导线线径，并计算导线股数（np，ns，ncc）。11)窗口占有率检验检验所需导线的窗口占用情况，是否超过窗口容量K0*Aw。要求满足：2202*******44***......(25)4SPWPPSSCCCCCCddKASNnNndNndp，ds，dcc分别为各绕组的导线线径。若（25）式中的条件不满足，则需重新选取导线线径，调整初次级匝数比N或调整K值，以减少匝数，否则重新选择骨架。12)温升计算温升由变压器的内部损耗造成，大小取决于总的内部损耗Ptotal和外表面积Aw*Ae。公式为：800*.....................(26)34**TotalWePTAAAw和Ae单位为cm2.内部总损耗分为铁损Pfe和铜损Pcu。铁损又称磁损耗，主要取决于磁芯材料、磁通密度摆幅ΔB、工作频率和磁芯大小,查表可知磁芯的磁损密度Pcl。铁损公式：*.....................(26)FeCLePPVVe为磁芯体积。变压器铜损主要来自导线发热。各绕组的直流交流电阻公式：*....................(27)1.6**.............(28)dcdcavacdcavRrlRrl其中，rdc为100℃下导线单位电阻，lav为变压器平均匝长。铜损计算公式为：222222******.....................(29)PRMSSRMSCCRMSCUPSCCPdcPacSdcSacCCdcCCacPdcPacPacSdcSacSacCCdcCCacCCacPPPPPPPPPPIRIRIRIRIRIR总损坏：....................(30)TotalCUFePPP再将Ptotal套入（26）式，即可计算温升。13)选取骨架，计算绕线宽度高度14)变压器绕制为减少漏感，多采用初次级交错式的三明治绕法。如图6，图62.设计实例设计一款12V2A规格的变压器。1)确定参数系统要求：Vin：100VAC~240VACVo：12VIo：2A设定：K：0.8η：80%fs：65KHz选取元器件：Vmos：600VVd：100VVf：1VCin：47uF2)计算Vinmin和Vinmax由（1）（2）式，得到Vinmin=105VVinmax=340V3)计算N和Dmax由（3）（4）式得到，4.35N13.1取N=5，则由（6）式得Dmax=38.2%Tonmax=Dmax/fs=5.88us4)K值选择，计算Lp由于Po=24W，取K=0.75，由（7）（8）（9）（10）式，算得初级绕组电流ΔIp=0.896A,Ipp=1.195A，Ipa=0.747A，Lp=690uH5)选择变压器可根据变压器厂商提供的功率-----变压器对应图来选择。选取变压器PC40EE25.4，查表得Ae=40.3mm2，Aw=78.73mm2查PC40磁芯材料特性表，可得到100℃时，饱和磁通密度Bs=3900Gs，剩余磁通密度Br=550Gs。取工作磁通密度Bm=（Bs-Br）*0.6=2010Gs，取电流密度j=5A/mm2，由（11）时计算APp=574mm4Ae*Aw=3173mm4，故该变压器可用。6)计算各绕组匝数和气隙长度由（12）（13）（14）（15）式，计算初级绕组匝数Np=76T次级绕组匝数Ns=15TVcc=12V，故辅助绕组匝数Ncc=15T气隙长度lg=0.42mm0.4mm7)变压器磁芯验证由（16）（17）式计算得到直流磁通密度Bdc=1682Gs交流磁通密度Bac=2018Gs最大磁通密度=Bdc+Bac/2=2691GsBs=3900Gs故磁芯验证通过。8)计算低压满载下各绕组电流有效值和交流值由（18）（19）（20）式，计算初级绕组电流：Iprms=0.462A，Ipac=0.363A次级绕组电流：Isrms=2.544A，Isac=1.572A辅助绕组电流（通常可忽略不计）：取Iccrms=Iccac=0.1A9)计算集肤深度和各绕组并绕股数由（22）式计算集肤深度δ=0.26mm故导线线径不应超过0.52mm。由（23）（24）计算得到初级绕组导线线径