开关电源变压器设计实例
开关电源变压器设计
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 ＝4.4f N Ae Bm f=50HZ
E ＝4.0f N Ae Bm f=50KHZ N Ae Bm 效率﹕ η=60-80 % (P2／P2+Pm+ P C ) η>90% ((P2／P2+Pm )
功率因素﹕ Cosψ=0.6-0.7 (系统100W 供电142W) Cosψ>0.90 (系统100W 供电111W) 稳压精度﹕ ΔU%=1% (U20-U2／U20*100) ΔU<0.2% 适配.控制性能﹕ 差 好 体积.重量 大 小
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.反馈方式: 自反馈; 它反馈 (F- & IC) 四.控制方式: PWM: PFM (T & T ON ) 五.常用电路形式: FLYBACK & FORWARD
一.隔离方式:
二.
- +
Tr:Ton
I RL
开关变压器主要设计参数
静态测试参数:
R DC. L. L K. L DC. TR. IR. HI-POT. IV O-P. Cp. Z. Q.………
动态测试参数:
Vi. Io. V o. Ta . U. F D max ………….
材料选择参数 P. Pc. u i. A L. Ae. Bs …….
WIRE: Φ ℃ . ΦI max . HI-POT ……..
BOBBIN: UL94 V--O.( PBT. PHENOLIC. NYLON)………. TAPE: ℃ . δh . HI-POT …….. 制程设置要求
P N …(SOL.SPC).PN//PN.PN -PN. S N (SOL.SPC).Φn. M tape:δ&w TAPE:δ&w. V ℃……..
三.反馈方式:
四.控制方式: PWM: PFM
脉冲宽度调制 脉冲频率调制
五.常用电路形式:
单端正激励FORWARD
开关变压器主要设计参数
静态测试参数:
R DC. L. L K. L DC. TR. IR. HI-POT. IV O-P.Cp. Z. Q.………动态测试参数:
Vi. Io. V o. Ta. U. F D max………….
材料选择参数
CORE: P. Pc. u i. A L. Ae. Bs…….
WIRE: Φ℃. ΦI max. HI-POT……..
BOBBIN: UL94 V--O.( PBT. PHENOLIC. NYLON)……….
TAPE: ℃. δh. HI-POT……..
制程设置要求..
单端反激励FLYBACK 调节TON 使能量守恒定1/2*L P *I PK 2=1/2*L S *I SK 2
Ton Br Bm
I
2Bac B
Bdc
Bm
Br Toff Bm Br
開關變壓器應用磁滯回線描述
Bs:飽和磁通(束)密度Br:殘留磁通(束)密度 Hs: 飽和磁場強度Hc:保磁力(矯頑力) Ui:初始導磁率
加GAP 曲線Br 下降﹐ΔB 增加
傳遞能力增大﹒
傳遞磁能區間增加
變壓器導通Ton 和截止Toff 的變化
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=1／2LI pk2*f (η)Vi min=I pk*Lp／Ton
Po／Vi min I pk=2Po／D max Vi min ( Po=VoIo)
Vi min*Ton=I pk*Lp Lp=Vi min*D max／I pk*f
Np=Lp*I pk／Ae*ΔB Np= ΔB*Ig／0.4π*I pk
Ig=0.4πL p I pk2／Ae*ΔB2
Vo+VD=Vimin*(Dmax／1-Dmax)*Ns/Np
Ns=(V O+V D)*(1-Dmax)*Np／Vi min*D max
Dmin=Dmax／(1-Dmax)K+Dmax K=Vi max/Vimin
单端反激励(Flyback)设计例题一
条件﹕
V i =170V－270V ﹐f= 30K HZ V o= 5V, Io=20A, D max=0.45(设计取值)设计﹕
1) Vi min=170*1.4-－20=218V, Vi max=270*1.4－20=358V
Vi min=170*√2-(V D.ΔU) Vi max=270*√2-(V D.ΔU)
Vi min=(V iACMIN)2-2Po(1/2fL -tc)
2) I pk=2*5*20／218*0.45=2.04A ηCIN Ipk=2Po／DmaxVimin ( Po=V oIo) Po=1／2LI pk2*f (η)
3) Lp=218*0.45／2.04*30000=1.6mH
Lp=Vimin*Dmax ／Ipk*f
4) K=358／218=1.64
K=Vimax/Vimin
5) Dmin=0.45／(1-0.45)*1.64+0.45=0.332
Dmin=Dmax／(1-Dmax)K+Dmax
6) CORE查表100W 选择EER42／15 Ae=183mm2(1.83cm2) Bs=390mT(3900Gs)=0.39T
Core=g/w(f=20k Hz REF)
7) WIRE查表或SΦ=√I/3=√20/3=2.58mm 选"铜箔"为佳.PΦ=√2.04/3=0.82,选0.60X2
r2*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=0.12cm
Ig=0.4πLpIpk2／Ae* ΔB2
9) Np=1950*0.12／0.4*3.14*2.04=91.32T . Np=(0.0016*2.04／1.83*1950)*108=91.46T
Np=ΔB*Ig／0.4π*Ipk Np=Lp*Ipk ／Ae*ΔB
10) Ns=(5+1)*(1-0.45)*91／218*0.45=3.06T 11）P=1/2*1.6*2.042*30=96W
Ns=(V O+V D)*(1-Dmax)*Np／Vimin* Dmax P=1/2LI2*f
单端正激励(FORWARD)设计例题一
输入电压﹒Vi= 48V (36~60V), 额定输出电压﹒电流﹒V o=5.0V﹒Io=11A 额定输出功率55W. 最大输出功率65W
f=470kHz (450~500 kHz) δmax=0.42 η=82
设计步骤: 选择PC50. 3F3. N49等材质
选PC50. EPC25.Ae: 46.4mm2. Le: 59.2mm. B S: 3800G S
1): Ipk= Ic= 2POUT / Vinmin= 2*65 / 36= 3.6A
2): Np= Vinmax*108 / (4FBmax*Ae) 取Bmax=2000G
= 60*108 / (4*450K*2000G*0.464)= 4TS, 调整为6TS
3): Ns= Np *(Vo+V D) / (Vi*δmax)
= 4* (5.5+1)/(36*0.42)= 1.7TS 调整为2TS
4): 反馈绕组. N= Np*(15+1) / (36*0.42)= 6*16/(36*0.42)= 6TS
5): 选择绕组线径Np: Φ0.1*120C
Ns: Φ0.1*200C
N: Φ0.25
6): 由于为安全电压.故不须包MARGIN TAPE.
单端正激励(FORWARD)设计例题二
输入电压﹒Vi= 100V (85V~135V),
额定输出电压﹒电流﹒V o=5.0V(4.5-5.5)﹒Io=20A
f=200kHz δmax=0.42
设计步骤: 选择PC40..TP4等材质
选TP4. EE28C.Ae: 87.4mm2. B S: 3800G S 取Bmax=2000G
1): T=1/fo=1/200K=5us
2): Tonmax=T*Dmax=5*0.42=2.1us
3): V2min=(Vo+VL+VF)*T/Tonmax=(5.5+0.2+0.5)*5/2.1=14.8V
4): n=V2min/V1min=14.8/100=0.148
5): N2=(V2min*Tonmax/Bs*Ae)*104 =(14.8*2.1/2000*87.4)* 104=1.83T︽2T
6): N1 =N2/ n=2/0.148=13.5T︽14T
Tonmax=(Vo+VL+VF)*T/ V2min=2.09 Dmax= 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﹐
例一﹐ETD44 A V 音响主功率变压器
1－2 Φ0﹒35 X7 25T
1－2 Φ0﹒21 X10X2 25T 7－9 Φ0﹒35 X9 5T 7－9 Φ0﹒35 X9 5T
2－3 Φ0﹒21 X10X2 25T
2－3 Φ0﹒35 X7 25T
减小绕线高度﹐对理线较合理﹒
例二﹐EI22 DVD 辅助变压器
1－X Φ0﹒30 8T
1－2 Φ0﹒25 16T 6--8-------------------- 6--8-------------------- 6--9--------------------
6--9--------------------
X －2 Φ0﹒30 8T
1－2 Φ0﹒25 16T 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﹐EER28 DVD 主功率变压器
3--4 Φ 0.40 25T 17--15 Φ0.40X2 4T 4--2 Φ 0.40 25T 14--13----------------------
2--1 Φ 0.40 25T
3--4 Φ 0.40 25T 17--15 Φ0.40X5 4T 4--2 Φ 0.40 25T 14--13----------------------
2--1 Φ 0.40 25T
加大耦合﹐减小漏感﹐提高负载能力﹒17--15 Φ0.40X2 4T
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’ 2mA ﹒ 8﹒层间耐压要求﹕
3）开关变压器的参数分析
1.关于集肤效应可选用多股线（满足b>a a=r2πb= r2π*x x= x股线）满足高频负载电流﹐降低变压器温升﹒
2. 关于L k与Cp是一对矛盾﹐一般要求变压器平衡L k与Cp参数﹐L k不要追求愈小愈好﹐Cp 的增加会引起噪声的增加﹒
开关变压器GAP&L K
1﹒气隙GAP设计大小与所需要的传递能量有关﹐GAP大气隙长度增加也就是气隙体积增加﹐电感下降﹒GAP小容易引起电感饱和﹒
2﹒气隙GAP传递能量大小与使用的工作频率有关﹐高频时（＞60KHZ）磁芯损耗加大﹒3﹒LEAKAGE漏感﹕初级绕组P&S次级主绕组相邻紧密﹐耦合面积大﹐（P﹒S夹绕）漏感量小﹒S次级主绕组如果匝数少﹐疏绕或者增加匝数﹐也可减小漏感量﹒