开关电源变压器设计

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—12WFlyback变压器设计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。ClassA的绝对温度不超过90°C；ClassB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：Vacmin~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：η最大温升：40℃4.0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·VDVinmax/N+Vo开关OFF：0.8·VMOSN·(Vo+VF)+Vinmax匝比：NminNNmax4.3确定最低输入电压和最大占空比输入滤波电容：2µF~3µF/W最低输入电压(假设tc=3ms)Vinmin=√(√2𝑉𝑎𝑐𝑚𝑖𝑛)2−2×𝑃𝑖𝑛(𝑇2−𝑡𝑐)𝐶𝑖𝑛最低输入电压，最大功率时，占空比最大DmaxDmax=𝑁∙(𝑉𝑜+𝑉𝐹)𝑁∙(𝑉𝑜+𝑉𝐹)+𝑉𝑖𝑛𝑚𝑖𝑛4.4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DCM4.5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=1/3Pomax时，变换器工作在BCMPo1/3Pomax时，变换器工作在DCMPo1/3Pomax时，变换器工作在CCMBCM模式下，最小输入电压时的平均输入电流Iin-avg=13∙𝑃𝑖𝑛𝑉𝑖𝑛𝑚𝑖𝑛变压器初级临界电流峰值∆Ip1=Ipk1=2×𝐼𝑖𝑛−𝑎𝑣𝑔𝐷𝑚𝑎𝑥4.6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Tonmax=1𝑓𝑠×Dmax变压器初级电感量Lp=𝑉𝑖𝑛𝑚𝑖𝑛×𝑇𝑜𝑛𝑚𝑎𝑥∆𝐼𝑝14.7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=𝑃𝑜×1062×𝜂×𝐾𝑜×𝐾𝑐×𝑓𝑠×𝐵𝑚×𝑗Ko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≤12𝐵𝑠𝑎𝑡j是电流密度，取j=4.2A/mm2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=Vinmin×tonmaxAe×Bm×108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%次级绕组匝数Ns=Np/N辅助绕组匝数Ncc=(Vcc+1)×Ns/(Vo+VF)气隙长度:lg=0.4𝜋×𝐴𝑒×𝑁2𝐿𝑝4.9满载时峰值电流CCM时，Tonmax固定不变输入电压不变，BCM的Tonmax等于CCM的TonmaxTonmax内，电感电流线形上升增量∆Ip1=𝑉𝑖𝑛𝑚𝑖𝑛×𝑇𝑜𝑛𝑚𝑎𝑥𝐿𝑝=∆Ip2低输入电压，满载条件下Po=12×η×Lp×(I2pk2–I2pk0)×fs变压器初级峰值电流Ipk2=𝑃𝑜/𝜂𝑉𝑖𝑛𝑚𝑖𝑛×𝐷𝑚𝑎𝑥+∆𝐼𝑃224.10最大工作磁芯密度BmaxBmax=𝐿𝑝×𝐼𝑝𝑘2𝐴𝑒×𝑁𝑝×108Bsat如果BmaxBsat，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：Ia=Ipk-∆𝐼2电流直流分量：Idc=Dmax×Ia电流有效值：Iprms=Ia√𝐷𝑚𝑎𝑥电流交流分量：Iac=Ia√𝐷𝑚𝑎𝑥(1−𝐷𝑚𝑎𝑥)4.12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=Iprms(A)/4(A/mm2)副边绕组：Ss=Isrms(A)/4(A/mm2)线径及根数集肤深度δ=6.61/√𝑓𝑠cm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K0Aw≥Np×𝜋×𝑅𝑝2+Ns×𝜋×𝑅𝑠2+Ncc×𝜋×𝑅𝑐𝑐24.13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∆T≈800×𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠34×√𝐴𝑒×𝐴𝑤4.14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5.设计实例—12W开关电源变压器设计5.1系统输入规格输入电压：90Vac~265Vac输入频率：50Hz输出电压：12V输出电流：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℃5.2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∙VDVinmax/N+Vo0.8×100375/N+120.8∙VmosN∙(Vo+VF)+Vinmax0.8×600N×(12+0.5)+3755.5N8.4取N=65.4最低输入电压和最大占空比选择Cin=22µF最低输入电压：Vinmin=√(√2𝑉𝑎𝑐𝑚𝑖𝑛)2−2×𝑃𝑖𝑛(𝑇2−𝑡𝑐)𝐶𝑖𝑛=√1272−2×16×7×10−322×10−6≈77𝑉最大占空比：Dmax=𝑁∙(𝑉𝑜+𝑉𝐹)𝑁∙(𝑉𝑜+𝑉𝐹)+𝑉𝑖𝑛𝑚𝑖𝑛=6×12.56×12.5+77=0.495.5计算初级临界电流均值和峰值Iin-avg=13∙𝑃𝑖𝑛𝑉𝑖𝑛𝑚𝑖𝑛=163×77=0.07A∆Ip1=Ipk1=2×𝐼𝑖𝑛−𝑎𝑣𝑔𝐷𝑚𝑎𝑥=2×0.070.49=0.285A5.6最大导通时间和初级电感量最大导通时间：Tonmax=1𝑓𝑠×Dmax=9.8𝜇𝑠变压器初级电感量：Lp=𝑉𝑖𝑛𝑚𝑖𝑛×𝑇𝑜𝑛𝑚𝑎𝑥∆𝐼𝑝1=77×9.8×10−60.285≈2.7mH5.7变压器磁芯面积APp=12×1062×0.75×0.42×50×103×1600×4=0.066cm2(铁氧体磁芯Bsat=3900G,取Bm=1600G)查表EF20Ae=0.335cm2，Aw=0.6048cm2AP=Aw*Ae=0.202cm20.066cm25.8变压器初级匝数、次级匝数、辅助绕组匝数和气隙长度Np=77×9.8×10−60.335×1600×108=140.7取Np=140TsNs=140/6=23.3Ts取Ns=23TsNcc=19×23/12.5≈35Tslg=0.4𝜋×33.5×14022.6=0.2mm5.9满载时峰值电流、最大工作磁通密度Ipk2=𝑃𝑜/𝜂𝑉𝑖𝑛𝑚𝑖𝑛×𝐷𝑚𝑎𝑥+∆𝐼𝑝2=1677×0.49+0.14=0.56ABmax=𝐿𝑝×𝐼𝑝𝑘2𝐴𝑒×𝑁𝑝=2.6×10−3×0.560.335×140×108=3100G3900G5.10变压器初级电流、副边电流的有效值原边各电流：电流中值Ipa=0.42A电流有效值Iprms=0.29A电流直流值Ipdc=0.20A电流交流值Ipac=0.208A副边各电流：电流直流值Isdc=1A电流有效值Isrms=1.38A电流中值Isa=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δ=6.61/√𝑓𝑠=6.61/√50×103=0.29cm导线的横截面积：电流密度j=4.2~5A/mm2初级绕组：Sp=0.068mm2→Φ0.25mm×1P→RDC=4.523mΩ/cm(100℃)副边绕组：Ss=0.328mm2→Φ0.40mm×2P→RDC=0.892mΩ/cm(100℃)Vcc绕组：Scc=0.1/4.2=0.024mm2→Φ0.1mm×2P窗口占有率：0.4×60.48≥140×π×0.1252+23×π×0.22+35×π×0.08224.2≥13.6OK5.12计算绕组的铜损平均匝长lav=23.5mm各绕组绕线长度：原边lNp=140×23.5=329cm副边lNs=23×23.5=54.0cm各绕组直、交流电阻：原边Rpdc=1.45ΩRpac=2.38Ω副边Rsdc=0.024ΩRsac=0.038ΩVcc绕组电流过小，忽略绕组损耗各绕组损耗：Pu=0.30W{𝑃𝑝=𝐼𝑝𝑟𝑚𝑠2×𝑅𝑝𝑑𝑐+𝐼𝑝𝑎𝑐2×𝑅𝑝𝑎𝑐=0.22𝑊𝑃𝑠=𝐼𝑠𝑟𝑚𝑠2×𝑅𝑠𝑑𝑐+𝐼𝑠𝑎𝑐2×𝑅𝑠𝑎𝑐=0.08𝑊5.13计算绕组的铁损计算铁损：查磁芯损耗曲线，PC40在ΔB=0.15T时为80mW/cm3铁损PFe=80×1.5=0.12W估算温升总损耗Ploss=0.12+0.30=0.42W经验公式∆T≈800×0.4234×√33.5×60.48=22℃40℃设计OK5.14变压器绕线结构及工艺绕线宽度高度累计查EF20Bobbin绕线宽度W=12.1mm，高度H=2.9mm0.25mm，最大外径0.275mm每层35T，W1=9.62mm0.40mm，最大外径0.52mm每层23T，W2=11.9mm0.10mm，最大外径0.13mm每层35T，W3=9.1mm(0.1mm×2P)总高度=0.275×4+0.52×2+0.13×3+0.03×7=2.74mm绕线结构次级→初级→次级