昂宝变压器的设计步骤

1OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential开关电源变压器设计On-BrightElectronics(Shanghai)Co.LtdOct.20062OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential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5.实例设计—12WFlyback变压器设计3OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential反激变换器优点¾电路结构简单¾成本低廉¾容易得到多路输出¾应用广泛，比较适合100W以下的小功率电源设计难点¾变压器的工作模式随着输入电压及负载的变化而变化¾低输入电压，满载条件下变压器工作在连续电流模式(CCM)¾高输入电压，轻载条件下变压器工作在非连续电流模式(DCM)1.前言4OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential¾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。¾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。2.变压器设计原则5OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential¾输入电压：Vacmin~Vacmax¾输入频率：fL¾输出电压：Vo¾输出电流：Io¾工作频率：fs¾输出功率：Po¾预估效率：η¾输入功率：Pin=Po/η¾最大温升：40℃3.系统输入规格6OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential4.1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4.变压器设计步骤7OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential4.变压器设计步骤4.1选择开关管和输出整流二极管¾开关管MOSFET:耐压值为Vmos¾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VF8OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential4.2计算变压器匝比考虑开关器件电压应力的余量(Typ.=20%)¾开关ON¾开关OFF¾匝比oinDVNVV+⋅/8.0max+-Vinmax+-+-Vo+-VD+-Vinmax+-+-Vo+-VF+-VmosN(Vo+VF)N=Np/NsN=Np/NsVinmax/N()max8.0inFomosVVVNV++⋅⋅maxminNNN4.变压器设计步骤(a)开关管ON9OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential4.3确定最低输入电压和最大占空比¾输入滤波电容：2µF~3µF/W¾最低输入电压(假设tc=3ms)¾最低输入电压，最大功率时，占空比最大Dmax()()minmaxinFoFoVVVNVVND++⋅+⋅=()incinacinCtTPVV⎟⎠⎞⎜⎝⎛−×−=2222minmin4.变压器设计步骤10OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential4.4反激变换器的工作过程分析¾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¾高输入电压时，负载从轻载到重载，变压器一直工作在DCM4.变压器设计步骤11OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential4.5计算初级临界电流均值和峰值¾按照最小输入电压，最大输出功率(Pomax)的条件计算¾Po=1/3Pomax时，变换器工作在BCM¾Po1/3Pomax时，变换器工作在DCM¾Po1/3Pomax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变压器初级临界电流峰值max112DIIIavginpkp−×==Δmin31ininavginVPI⋅=−4.变压器设计步骤TonIpk1Isk1IsttIpΔIp1Ts12OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential4.6计算变压器初级电感量¾最低输入电压，BCM条件下，最大导通时间¾变压器初级电感量1maxminponinpITVLΔ×=maxmax1DfTson×=4.变压器设计步骤13OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential4.7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¾ko是窗口的铜填充系数；取¾kc是磁芯填充系数；对于铁氧体磁芯取¾Bm是变压器工作磁通密度，取¾j是电流密度，取考虑绕线空间，尽量选择窗口面积大的磁芯，查表选择Aw和AejBfKKPAPmscoop×××××××=η21064.0=ok1=cksatmBB21=2/2.4mmAj=4.变压器设计步骤14OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential4.8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¾增加或者减小匝数只会分别引起磁芯损耗减小或增加¾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%次级绕组匝数辅助绕组匝数气隙长度meoninPBAtVN××=maxminNNNps/=pegLNAl24.0××=π4.变压器设计步骤()()FosccccVVNVN+×+=/115OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential4.9满载时峰值电流¾CCM时，Tonmax固定不变¾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低输入电压，满载条件下变压器初级峰值电流2maxmin1pponinpILTVIΔ=×=Δ()sppkpofIILP×−×××=202221η2/2maxmin2pinopkIDVPIΔ+×=η4.变压器设计步骤16OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential4.10最大工作磁芯密度BmaxsatpepkpBNAILB××=2max如果BmaxBsat，则证明所选择的磁芯通过，否则应重新选择4.变压器设计步骤17OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential4.11计算变压器初级电流、副边电流的有效值adcIDI×=max:电流直流分量2IIIpkaΔ−=梯形波电流的中值：4.变压器设计步骤maxDIIaprms=电流有效值：()maxmax1DDIIaac−=电流交流分量：18OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential4.12计算原边绕组、副边绕组的线径，估算窗口占有率¾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)¾线径及根数集肤深度¾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¾根据安规要求考虑加一定宽度的挡墙¾窗口占有率cmfs/61.6=δ4.变压器设计步骤2220ccccssppwRNRNRNAk××+××+××≥πππ19OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential4.13计算绕组的铜损¾根据导线的电阻和集肤深度确定每个绕组的铜损耗¾总损耗一定要小于预算损耗温升经验公式4.变压器设计步骤welossAAPT×××≈Δ3480020OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential4.14变压器绕线结构及工艺¾骨架的选取累计高度、宽度¾绕法初级和次级交错式(三明治)绕法：漏感小4.变压器设计步骤屏蔽层挡墙屏蔽层挡墙21OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential5.1系统输入规格¾输入电压：90Vac~265Vac¾输入频率：50Hz¾输出电压：12V¾输出电流：1.0A¾输出功率：Po=12W¾开关频率：50kHz¾预估效率：0.75¾输入最大功率：Pin=16W¾变压器最大温升：40℃5.设计实例—12W开关电源变压器设计22OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential5.2开关管MOSFET和输出整流二极管¾开关管MOSFET耐压:Vmos=600V¾输出二极管：反向压降VD=100V正向导通压降VF=0.5V5.3计算变压器匝比12/3751008.0/8.0max+×⇒+⋅NVNVVoinD()()3755.0126008.08.0max++××⇒++⋅⋅NVVVNVinFomos4.85.5N取N=65.设计实例—12W开关电源变压器设计23OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential5.4最低输入电压和最大占空比¾选择Cin=22µF¾最低输入电压¾最大占空比5.5计算初级临界电流均值和峰值()VCtTPVVincinacin7710221071621272226322minmin≈××××−=⎟⎠⎞⎜⎝⎛−×−=−−()()49.0775.1265.126minmax=+××=++⋅+⋅=inFoFoVVVNVVNDADIIIavginpkp285.049.007.022max11=×=×==Δ−AVPIininavgin07.077316min31=×=⋅=−5.设计实例—12W开关电源变压器设计24OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential5.6最大导通时间和初级电感量¾最大导通时间¾变压器初级电感量mHITVLponinp7.2285.0108.97761maxmin≈××=Δ×=−sDfTsonμ8.91maxmax=×=5.7变压器磁芯面积查表EF20Ae=0.335cm2，Aw=0.6048cm2AP=Aw*Ae=0.202cm20.066cm2()1600GB3900B660.040061105042.075.021012msat236===×××××××=，取铁氧体磁芯GcmAPp5.设计实例—12W开关电源变压器设计25OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential5.10变压器初级匝数、次级匝数、辅助绕组匝数和气隙长度T401N7.1406001335.0108.977p6==×××=−取PNTNTTNccs355.12/231932N3.236/401s≈×====取mmlg24.06.24015.334.02=××=π5.设计实例—12W开关电源变压器设计5.11满载时峰值电流、最大工作磁通密度TTNAILBpepkp009310031405.3365.06.22max=××=××=AIDVPIpinopk65.014.094.077162/maxmin2=+×=Δ+×=η26OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential5.12变压器初级电流、副边电流的有效值¾原边各电流5.设计实例—12W开关电源变压器设计20A.0=pdcIA42.0=paI29A.0=prmsI208A