开关变压器设计

开关电源变压器设计（草稿）开关变压器是将DC电压﹐通过自激励震荡或者IC它激励间歇震荡形成高频方波﹐通过变压器耦合到次级,整流后达到各种所需DC电压﹒变压器在电路中电磁感应的耦合作用﹐达到初﹒次级绝缘隔离﹐输出实现各种高频电压﹒目的﹕减小变压器体积﹐降低成本﹐使设备小形化﹐节约能源﹐提高稳压精度﹒N工频变压器与高频变压器的比较﹕工频高频E＝4.4fNAeBmf=50HZE＝4.0fNAeBmf=50KHZNAeBm效率﹕η=60-80%(P2／P2+Pm+PC)η90%((P2／P2+Pm)功率因素﹕Cosψ=0.6-0.7(系统100W供电142W)Cosψ0.90(系统100W供电111W)稳压精度﹕ΔU%=1%(U20-U2／U20*100)ΔU0.2%适配.控制性能﹕差好体积.重量大小EMI滤波电路整流滤波隔离变压器整流滤波电路PWM控制电路间隙震荡﹒功率因素改善﹒保护电路﹒IC光电耦合电路取样﹒放大ACACDCDCSPS开关电源方框图IC分立组件（典形电路）开关变压器主要工作方式一.隔离方式:有隔离;非隔离(TV&TVM11)二.激励方式:自激励;它激励(F+&IC)三.回馈方式:自回馈;它回馈(F-&IC)四.控制方式:PWM:PFM(T&TON)五.常用电路形式:FLYBACK&FORWARD一.隔离方式:二.激励方式:P=300VS1=120VS1=110VS2=57VF＋激励S3=16V分立组件S2S1P=300V220V*√2-VDF－取样分立组件震荡S1=120VS2=12VS1=40VＩＣP=40VS1=120VF+=5VVS2=5VS1=85VP=300VS3=±12V有隔离:P-S不共享地非隔离:P-S共享地﹐俗称热底板它激励﹕用集成IC它激励间歇震荡自激励﹕用变压器F+自激励震荡单端反激励(Flyback)单端正激励(Forward)-+Tr:TonIRLIRL开关变压器主要设计参数静态测试参数:RDC.L.LK.LDC.TR.IR.HI-POT.IVO-P.Cp.Z.Q.…………..动态测试参数:Vi.Io.Vo.Ta.U.FDmax………….材料选择参数CORE:P.Pc.ui.AL.Ae.Bs…….WIRE:Φ℃.ΦImax.HI-POT……..BOBBIN:UL94V--O.(PBT.PHENOLIC.NYLON)……….TAPE:℃.δh.HI-POT……..制程设置要求PN…(SOL.SPC).PN//PN.PN-PN.SN(SOL.SPC).Φn.Mtape:δ&wTAPE:δ&w.V℃……..Tr控制电路VoVi控制电路VoViTr三.回馈方式:;它四.控制方式:PWM:PFM脉冲宽度调制脉冲频率调制F＋=8VP=300VICS1=120VS2=5VS1=85VS3=+20VS4=+12VP=300V220V*√2-VDF+=5VS2=26VS3=16VF-=12VS1=120V激励取样分立组件Ton可变T恒定Ton恒定T可变自反馈﹕用变压器F-同步于主输出调整理Ton,达到输出稳定﹒它反馈﹕用集成IC接受输出光电耦合信号﹐调整Ton,达到输出稳定﹒五.常用电路形式:单端反激励FLYBACK单端正激励FORWARD开关变压器主要设计参数静态测试参数:RDC.L.LK.LDC.TR.IR.HI-POT.IVO-P.Cp.Z.Q.…………..动态测试参数:Vi.Io.Vo.Ta.U.FDmax………….材料选择参数CORE:P.Pc.ui.AL.Ae.Bs…….WIRE:Φ℃.ΦImax.HI-POT……..BOBBIN:UL94V--O.(PBT.PHENOLIC.NYLON)……….TAPE:℃.δh.HI-POT……..制程设置要求..控制电路VoViTr控制电路VoViTrTonRfzToffRfz单端反激励FLYBACK调节TON使能量守恒定1/2*LP*IPK2=1/2*LS*ISK2TonBrBmI2BacIdcHBBdcBmBrToffBmBr开关变压器应用磁滞回线描述Bs:饱和磁通(束)密度Br:残留磁通(束)密度Hs:饱和磁场强度Hc:保磁力(矫顽力)Ui:初始导磁率加GAP曲线Br下降﹐ΔB增加传递能力增大﹒传递磁能区间增加变压器导通Ton和截止Toff的变化单端反激励(Flyback)波形分为:临界状态,非连续状态,连续状态(常用状态).Po=1／2LIpk2*f(η)Vimin=Ipk*Lp／TonPo／ViminIpk=2Po／DmaxVimin(Po=VoIo)Vimin*Ton=Ipk*LpLp=Vimin*Dmax／Ipk*fNp=Lp*Ipk／Ae*ΔBNp=ΔB*Ig／0.4π*IpkIg=0.4πLpIpk2／Ae*ΔB2Vo+VD=Vimin*(Dmax／1-Dmax)*Ns/NpNs=(VO+VD)*(1-Dmax)*Np／Vimin*DmaxDmin=Dmax／(1-Dmax)K+DmaxK=Vimax/ViminT=1/fTonToffViDmax=Ton/TTon=1/f*DmaxIpkBBBmCL放电电流一.波形Φ磁通变化单端反激励(Flyback)4Core=g/w(f=20kHzREF)二.设计公式ΦrΦIIrIp变压器能量守恒﹐就是利用Ton调整Vo﹒单端反激励(Flyback)设计例题一条件﹕Vi=170V－270V﹐f=30KHZVo=5V,Io=20A,Dmax=0.45(设计取值)设计﹕1)Vimin=170*1.4-－20=218V,Vimax=270*1.4－20=358VVimin=170*√2-(VD.ΔU)Vimax=270*√2-(VD.ΔU)Vimin=(ViACMIN)2-2Po(1/2fL-tc)2)Ipk=2*5*20／218*0.45=2.04AηCINIpk=2Po／DmaxVimin(Po=VoIo)Po=1／2LIpk2*f(η)3)Lp=218*0.45／2.04*30000=1.6mHLp=Vimin*Dmax／Ipk*f4)K=358／218=1.64K=Vimax/Vimin5)Dmin=0.45／(1-0.45)*1.64+0.45=0.332Dmin=Dmax／(1-Dmax)K+Dmax6)CORE查表100W选择EER42／15Ae=183mm2(1.83cm2)Bs=390mT(3900Gs)Core=g/w(f=20kHzREF)7)WIRE查表或SΦ=√I/3=√20/3=2.58mm选铜箔为佳.PΦ=√2.04/3=0.82,选0.60X2r2*π(2.58/2)2*3.14=5.225选择19#,Φ=0.98*7(0.98/2)2*3.14*7=5.277（4Pin并绕）8)Ig=(0.4*3.14*1.6*10-3*2.042／1.83*19502)*108=0.12cmIg=0.4πLpIpk2／Ae*ΔB29)Np=1950*0.12／0.4*3.14*2.04=91.32T.Np=(0.0016*2.04／1.83*1950)*108=91.46TNp=ΔB*Ig／0.4π*IpkNp=Lp*Ipk／Ae*ΔB10)Ns=(5+1)*(1-0.45)*91／218*0.45=3.06T11）P=1/2*1.6*2.042*30=96WNs=(VO+VD)*(1-Dmax)*Np／Vimin*DmaxP=1/2LI2*f另一种ＡＰ法,计算参数查找麻烦单端正激励(Forward)一﹐波形二﹐设计公式﹕能量再生线圈和波形UCE2UCE单端正激励(FORWARD)设计例题一已知条件﹕输入电压﹒Vi=48V(36~60V),额定输出电压﹒电流﹒Vo=5.0V﹒Io=11A额定输出功率55W.最大输出功率65Wf=470kHz(450~500kHz)δmax=0.42η=82设计步骤:选择PC50.3F3.N49等材质选PC50.EPC25.Ae:46.4mm2.Le:59.2mm.BS:3800GS1):Ipk=Ic=2POUT/Vinmin=2*65/36=3.6A2):Np=Vinmax*108/(4FBmax*Ae)取Bmax=2000G=60*108/(4*450K*2000G*0.464)=4TS,调整为6TS3):Ns=Np*(Vo+VD)/(Vi*δmax)=4*(5.5+1)/(36*0.42)=1.7TS调整为2TS4):回馈绕组.N=Np*(15+1)/(36*0.42)=6*16/(36*0.42)=6TS5):选择绕组线径Np:Φ0.1*120CNs:Φ0.1*200CN:Φ0.256):由于为安全电压.故不须包MARGINTAPE.单端正激励(FORWARD)设计例题二已知条件﹕输入电压﹒Vi=100V(85V~135V),额定输出电压﹒电流﹒Vo=5.0V(4.5-5.5)﹒Io=20Af=200kHzδmax=0.42设计步骤:选择PC40..TP4等材质选TP4.EE28C.Ae:87.4mm2.BS:3800GS取Bmax=2000G1):T=1/fo=1/200K=5us2):Tonmax=T*Dmax=5*0.42=2.1us3):V2min=(Vo+VL+VF)*T/Tonmax=(5.5+0.2+0.5)*5/2.1=14.8V4):n=V2min/V1min=14.8/100=0.1485):N2=(V2min*Tonmax/Bs*Ae)*104=(14.8*2.1/2000*87.4)*104=1.83T︽2T6):N1=N2/n=2/0.148=13.5T︽14TTonmax=(Vo+VL+VF)*T/V2min=2.09Dmax=Tonmax/T=2.09/5=0.418︽0.42优化设计举例1）绕线空间设计:变压器绕线空间设计得好﹐使其耦合传递最佳﹐发挥功率更佳﹐干扰更小﹐要求电流较大﹐漏感较小﹒P&S均可采用分层绕法﹒例一﹐ETD44AV音响主功率变压器1－2Φ0﹒35X725T1－2Φ0﹒21X10X225T7－9Φ0﹒35X95T7－9Φ0﹒35X95T2－3Φ0﹒21X10X225T2－3Φ0﹒35X725T减小绕线高度﹐对理线较合理﹒例二﹐EI22DVD辅助变压器1－XΦ0﹒308T1－2Φ0﹒2516T6--8--------------------6--8--------------------6--9--------------------6--9--------------------X－2Φ0﹒308T1－2Φ0﹒2516T增强耦合性能﹐采用并联绕线﹐合理安排接线工艺﹐减小漏感﹒例三﹐EER28DVD主功率变压器3--4Φ0.4025T17--15Φ0.40X24T4--2Φ0.4025T14--13----------------------2--1Φ0.4025T3--4Φ0.4025T17--15Φ0.40X54T4--2Φ0.4025T14--13----------------------2--1Φ0.4025T（3）（2）PS（1）（1）（3）（1）（3）（3）（2）加大耦合﹐减小漏感﹐提高负载能力﹒17--15Φ0.40X24T随着变压器的小形化﹐可以根据爬电距离来实现安全性能要求﹐设计产品的目的﹐主要满足用户要求﹐符合安全性能规定﹒1﹒干燥空气爬电耐压距离﹕经验距离为1mm/1000V﹒2﹒TAPE（0﹒025／0﹒065）P－S三层规定﹕1层4000V延伸变形后＞1500V﹒3﹒S线圈－S线圈之间爬电耐压距离﹕＞1500V＞1.5mm﹒4﹒边缘胶带MARGINTAPE爬电耐压距离﹕边缘安胶W=3mm可根据Vi电压W1.5－2.mm﹒5﹒采用TEX－E线解决耐压距离﹕三重绝缘线层6000V延伸变形后耐压下降﹒6﹒胶带绝缘层解决耐压距离﹕胶带村垫SOL一层SPC二层﹐反贴胶带等﹒7﹒规格耐压条件(3.0KV/60’2mA)制程条件UL3.0KV＊1.2倍/2