開關(guān)電源——反激變壓器設(shè)計(jì)過程

電子電路 2020-06-04 00:00

需要最新微控制器編程規(guī)范與調(diào)試指南？ AI重塑EDA設(shè)計(jì)流程｜2026芯片研發(fā)效率革命，來這里找答案…

電源參數(shù)

根據(jù)功率、輸入輸出的情況，我們選擇反激電源拓?fù)洹?/span>

反激式變壓器的優(yōu)點(diǎn)有:

1、電路簡單,能高效提供多路直流輸出,因此適合多組輸出要求。

2、轉(zhuǎn)換效率高,損失小。

3、變壓器匝數(shù)比值較小。

4、輸入電壓在很大的范圍內(nèi)波動時(shí),仍可有較穩(wěn)定的輸出。

設(shè)計(jì)步驟：

1、決定電源參數(shù)。

2、計(jì)算電路參數(shù)。

3、選擇磁芯材料。

4、選擇磁芯的形狀和尺寸。

5、計(jì)算變壓器匝數(shù)、有效氣隙電感系數(shù)及氣隙長度。

6、選擇繞組線圈線徑。

7、計(jì)算變壓器損耗和溫升。

原理圖

步驟一、確定電源參數(shù)： （有些參數(shù)為指標(biāo)給定，有些參數(shù)從資料查得）

注：電流比例因數(shù)：紋波比例，在重載和低收入情況下的紋波電流和實(shí)際電流的比例。

步驟二、計(jì)算電路參數(shù)：

最低直流輸入電壓：

Z為損耗分配因數(shù)，如果Z=1.0表示所有損耗都在副邊，如果Z=0表示所有的損耗都在原邊，在這里取Z=0.5表示原副邊都存在損耗。

步驟三、選擇磁芯材料：

鐵氧體材料具有電阻率高，高頻損耗小的特點(diǎn)，且有多種材料和磁芯規(guī)格滿足各要求，加之價(jià)格較其它材料低廉，是目前在開關(guān)電源中應(yīng)用最為廣泛的材料。同時(shí)也有飽和磁感應(yīng)比較低，材質(zhì)脆，不耐沖擊，溫度性能差的缺點(diǎn)。

采用的是用于開關(guān)電源變壓器及傳輸高功率器件的MnZn功率鐵氧體材料PC40,其初始磁導(dǎo)率為2300±25％，飽和磁通密度為510mT（25℃時(shí)）/390mT（100℃時(shí)）,居里溫度為215℃。

選擇磁芯材料為鐵氧體，PC40。

步驟四、選擇磁芯的形狀和尺寸：

高頻功率電子電路中離不開磁性材料。磁性材料主要用于電路中的變壓器、扼流圈(包括諧振電感器)中。

變壓器是整個電源供應(yīng)器的重要核心，所以變壓器的計(jì)算及驗(yàn)證是很重要的。

磁性材料(Magnetic materials)有個磁飽和問題。如果磁路飽和，會導(dǎo)致變壓器電量傳遞畸變，使得電感器電感量減小等。對于電源來說，有效電感量的減小，電源輸出紋波將增加，并且通過開關(guān)管的峰值電流將增加。這樣可能使得開關(guān)管的工作點(diǎn)超出安全工作區(qū)，從而造成開關(guān)管壽命的縮短或損壞。磁性材料的另一個問題就是居里點(diǎn)溫度(Curie Temperature)。

在這一溫度下，材料的磁特性會發(fā)生急劇變化。特別是該材料會從強(qiáng)磁物質(zhì)變成順磁性物質(zhì)，即磁導(dǎo)率迅速減小幾個數(shù)量級。實(shí) 際上，它幾乎轉(zhuǎn)變?yōu)楹涂諝獯判镜刃АＲ恍╄F淦氧(ferrites)的居里點(diǎn)可以低到130oC左右。因此一定要注意磁性材料的工作溫度。

簡單的說就是兩個問題：

1、飽和——引起電感量減小

2、居里溫度——磁導(dǎo)率減小

所以選擇變壓器的時(shí)候，我們需要充分考慮兩個問題：

1、磁通量必須滿足，避免飽和。

2、溫度不能太高。

所以我們需要先計(jì)算變壓器鐵心磁飽和的磁通量的最大值B（max）

決定變壓器的材質(zhì)及尺寸:

依據(jù)變壓器計(jì)算公式

B（max）的計(jì)算結(jié)果，不要超過我們選型的鐵心的額定值，并進(jìn)行降額、并考慮外殼導(dǎo)致散熱不良帶來的影響，并留有余量。

B（max）的算法有兩種，

面積相乘法（AP法）

幾何參數(shù)法（KG 法）

推導(dǎo)過程比較復(fù)雜和繁瑣，此處不進(jìn)行展開。

在這里用面積乘積公式粗選變壓器的磁芯形狀和尺寸。具體公式如下：

反激變壓器工作在第一象限，最高磁密應(yīng)留有余度，故選取B_MAX=0.3T，反激變壓器的系數(shù)K₁=0.0085（K1是反激變壓器在自然冷卻的情況下，電流密度取420A/cm²時(shí)的經(jīng)驗(yàn)值。）

磁芯型號：查EPC磁芯系列—EPC19，磁芯參數(shù)為：

磁芯有效截面積:	Ae=	22.7	mm²
磁芯窗口面積:	Aw=	50	mm²
磁路長度:	Le=	0.461	mm
無氣隙電感系數(shù):	Al=	940	nH/T²
磁芯體積:	Ve=	0.9	cm³
骨架繞線寬度:	Bw=	11.9	mm

EPC磁芯主要為平面變壓器設(shè)計(jì)的，具有中柱長，漏感小的特點(diǎn)。EPC19磁芯的AP值約為0.11cm4，稍大于計(jì)算所需的AP=0.09 cm4。若再選用小一號的磁芯EFD15,其AP值約為0.047 cm4，小于計(jì)算所需的AP=0.09 cm4，不符合要求，故選用EPC19磁芯。

步驟五、計(jì)算變壓器各繞組匝數(shù)、有效氣隙電感系數(shù)及氣隙長度：

1、法拉第電磁感應(yīng)定律

電路中感應(yīng)電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通變化率成正比，若感應(yīng)電動勢用

表示，則

，這就是法拉第電磁感應(yīng)定律。

若閉合電路為一個

匝的線圈，則又可表示為：

。式中，

為線圈匝數(shù)，

為磁通量變化量，單位

，

為發(fā)生變化所用時(shí)間，單位為

，

為產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，單位為

。

電感歐姆定律方程：V=L*（dI/dt）

所以推導(dǎo)得到電流型方程：

N*A*B=L*I

原邊繞組匝數(shù)：

當(dāng)電感、電流、匝數(shù)、面積確定的情況下，磁飽和密度也就確定了。

換句話說：我們?yōu)榱诉_(dá)到一定的磁飽和密度，需要增加匝數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)原邊的匝數(shù)滿足要求之后，我們通過匝數(shù)比關(guān)系，可以計(jì)算副邊匝數(shù)要求。

步驟六、選擇繞組導(dǎo)線線徑：

滿足磁通量的同時(shí)我們還需要考慮電流和空間的問題。

決定變壓器線徑及線數(shù):

當(dāng)變壓器決定后，變壓器的Bobbin（骨架）即可決定，依據(jù)Bobbin（骨架）的槽寬，可決定變壓器的線徑及線數(shù)，亦可計(jì)算出線徑的電流密度，電流密度一般以6A/mm2為參考，電流密度對變壓器的設(shè)計(jì)而言，只能當(dāng)做參考值，最終應(yīng)以溫升記錄為準(zhǔn)。

變壓器有效的骨架寬度：

L_X為原邊繞組層數(shù)，在這里采用4層。

M為線圈每端需要的爬電距離，在這里取2mm。

(爬電距離是沿絕緣表面測得的兩個導(dǎo)電零部件之間或?qū)щ娏悴考c設(shè)備防護(hù)界面之間的最短路徑。)

骨架繞線寬度:Bw=11.9mm

計(jì)算原邊繞組導(dǎo)線允許的最大直徑（漆包線）：

根據(jù)上述計(jì)算數(shù)據(jù)可采用裸線徑DIA=0.23mm的漆包線繞置，其帶漆皮外徑為0.27mm，剛好4層可以繞下。

根據(jù)所選線徑計(jì)算原邊繞組的電流密度：

計(jì)算副邊繞組導(dǎo)線允許的最大直徑（漆包線）：

根據(jù)上述計(jì)算數(shù)據(jù)可采用裸線徑DIASS=0.72mm的漆包線繞置，但由于在溫度100℃、工作頻率為60KHz時(shí)銅線的集膚深度：

而0.72mm大于了2倍的集膚深度，使銅線的利用率降低，故采用兩根0.35mm的漆包線并繞。

自供電繞組線徑：由于自供電繞組的電流非常小只有5mA，因此對線徑要求并不是很嚴(yán)格，在這里主要考慮為便于與次級更好的耦合及機(jī)械強(qiáng)度，因此也采用裸線徑為0.35mm的漆包線進(jìn)行繞置，使其剛好一層繞下，減小與次級之間的漏感，保證短路時(shí)使自供電電壓降低。

步驟七、計(jì)算變壓器損耗和溫升

變壓器的損耗主要由線圈損耗及磁芯損耗兩部分組成，下面分別計(jì)算：

1）線圈損耗：

為100℃銅的電阻率為2.3×10-6（·cm ）；為原邊繞組的線圈長度，實(shí)測為360cm；A為原邊0.23mm漆包線的截面積。

d為原邊漆包線直徑0.23mm，s為導(dǎo)線中心距0.27mm，為集膚深度0.31mm。

原邊交流電阻與直流電阻比：由于原邊采用包繞法，故原邊繞組層數(shù)可按兩層考慮，根據(jù)上式所求的Q值，查得。

為100℃銅的電阻率為2.3×10-6（·cm ）；為副邊繞組的線圈長度，實(shí)測為80cm；A為副邊兩根0.38mm漆包線的截面積。

d為副邊漆包線直徑0.35mm，s為導(dǎo)線中心距0.41mm，

為集膚深度0.31mm。

副邊交流電阻與直流電阻比：副邊繞組層數(shù)為一層，根據(jù)上式所求的Q值，查得：

2）磁芯損耗：

Pcv為磁芯功率損耗，由峰值磁通密度擺幅、工作頻率60KHz及工作溫度100℃可在廠家手冊上查出其損耗約為30mw/cm3。

Ve為EPC19的體積0.105cm3。

總結(jié)：通過上述計(jì)算可知，當(dāng)環(huán)境溫度為85℃時(shí)，變壓器最高溫度在96℃左右，符合磁芯的最佳工作溫度。同時(shí)采用包繞法使得漏感僅為70uH(1KHz時(shí))/15uH(100KHz時(shí))，小于3%，效果較理想。

來源：網(wǎng)絡(luò)

#推薦閱讀#

【下載】開關(guān)電源基本工作原理
拆了個開關(guān)電源，看看電路都有啥？
漲知識了！開關(guān)電源中高頻磁芯的形狀大有學(xué)問！
DK1203小功率離線式開關(guān)電源
史上最全面解析：開關(guān)電源各功能電路

點(diǎn)點(diǎn)在看，讓我知道你喜歡今天的內(nèi)容

登錄閱讀全文



免責(zé)聲明：該內(nèi)容由專欄作者授權(quán)發(fā)布或作者轉(zhuǎn)載，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)，本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。若內(nèi)容或圖片侵犯您的權(quán)益，請及時(shí)聯(lián)系本站刪除。侵權(quán)投訴聯(lián)系：? nick.zong@aspencore.com！

電子電路每日與你分享電子電路基礎(chǔ)知識，涵蓋電子技術(shù)、電子元器件知識、科普電路原理、電路板焊接、趣味電子制作，各種與電子專業(yè)相關(guān)必讀干貨！

進(jìn)入專欄

評論