开关电源变压器设计要点.docx
《开关电源变压器设计要点.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开关电源变压器设计要点.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
开关电源变压器设计要点
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）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
SPS開關電源方框圖
分立元件
IC
（典形電路）
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.反馈方式:
自反馈;它反馈（F-&IC）
四.控制方式:
PWM:
PFM（T&TON）
五.常用电路形式:
FLYBACK&FORWARD
非隔离:
P-S共用地﹐俗稱熱底板
有隔离:
P-S不共用地
一.隔离方式:
S2
S1
P=300V
220V*√2-VD
F－
取樣
分立元件震蕩
P=300V
S1=120V
S1=110V
S2=57V
F＋
激勵
S3=16V
分立元件
自激勵﹕用變壓器F+自激勵震蕩
它激勵﹕用集成IC它激勵間歇震蕩
二.激励方式:
S1=85V
S1=120V
S1=120V
S2=12V
S1=40V
ＩＣ
P=40V
P=300V
S3=±12V
F+=5VV
S2=5V
控制電路
Vo
Vi
单端反激励（Flyback）
控制電路
Vo
Vi
Tr
单端正激励（Forward）
-
Tr
+
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℃……..
三.反馈方式:
它反饋﹕用集成IC接受輸出光電
耦合信號﹐調整Ton,達到輸出穩定﹒
自反饋﹕用變壓器F-同步于主輸出
調整理Ton,達到輸出穩定﹒
;它
S4=+12V
P=300V
分立元件
F＋=8V
四.控制方式:
PWM:
PFM
T可變
T恒定
脉冲宽度调制脉冲频率调制
五.常用电路形式:
单端反激励FLYBACK单端正激励FORWARD
Rfz
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..
傳遞磁能區間增加
加GAP曲線Br下降﹐ΔB增加
傳遞能力增大﹒
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
单端反激励FLYBACK调节TON使能量守恒定1/2*LP*IPK2=1/2*LS*ISK2
ToffBmBr
開關變壓器應用磁滯回線描述
變壓器導通Ton和截止Toff的變化
單端反激勵（Flyback）
一.波形
Ton
變壓器能量守恒﹐就是利用Ton調整Vo﹒
Vi
Dmax=Ton/T
Toff
T=1/f
Ton=1/f*Dmax
Ip
CL放電電流
Ipk
Ir
ΦI
Φ磁通變化
Bm
Φr
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）.
二.設計公式
Po=1／2LIpk2*f（η）Vimin=Ipk*Lp／Ton
Po／ViminIpk=2Po／DmaxVimin（Po=VoIo）
Vimin*Ton=Ipk*LpLp=Vimin*Dmax／Ipk*f
Np=Lp*Ipk／Ae*ΔBNp=ΔB*Ig／0.4π*Ipk
4
Ig=0.4πLpIpk2／Ae*ΔB2
Vo+VD=Vimin*（Dmax／1-Dmax）*Ns/Np
Ns=（VO+VD）*（1-Dmax）*Np／Vimin*Dmax
Core=g/w（f=20kHzREF）
Dmin=Dmax／（1-Dmax）K+DmaxK=Vimax/Vimin
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=358V
Vimin=170*√2-（VD.ΔU）Vimax=270*√2-（VD.ΔU）Vimin=（ViACMIN）2-2Po（1/2fL-tc）
2）Ipk=2*5*20／218*0.45=2.04AηCIN
Ipk=2Po／DmaxVimin（Po=VoIo）Po=1／2LIpk2*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EER42／15Ae=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0.60X2
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*IpkNp=Lp*Ipk／Ae*ΔB
10）Ns=（5+1）*（1-0.45）*91／218*0.45=3.06T11）P=1/2*1.6*2.042*30=96W
Ns=（VO+VD）*（1-Dmax）*Np／Vimin*DmaxP=1/2LI2*f
另一种ＡＰ法,計算參數查找麻煩
單端正激勵（Forward）
UCE
能量再生線圈和波形
一﹐波形
2UCE
二﹐設計公式﹕
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65W
f=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:
3800GS
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+VD）/（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=20A
f=200kHzδmax=0.42
设计步骤:
选择PC40..TP4等材质
选TP4.EE28C.Ae:
87.4mm2.BS:
3800GS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=2.09Dmax=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﹐
（3）
（2）
P
S
（1）
要求电流较大﹐漏感较小﹒P&S均可采用分层绕法﹒
（1）
（3）
例一﹐ETD44AV音响主功率变压器
1－2Φ0﹒35X725T
1－2Φ0﹒21X10X225T
7－9Φ0﹒35X95T
7－9Φ0﹒35X95T
2－3Φ0﹒21X10X225T
2－3Φ0﹒35X725T
减小绕线高度﹐对理线较合理﹒
（1）
（3）
例二﹐EI22DVD辅助变压器
1－XΦ0﹒308T
1－2Φ0﹒2516T
6--8--------------------
6--8--------------------
6--9--------------------
6--9--------------------
X－2Φ0﹒308T
1－2Φ0﹒2516T
增强耦合性能﹐采用并联绕线﹐合理安排接线工艺﹐减小漏感﹒
（3）
（2）
例三﹐EER28DVD主功率变压器
3--4Φ0.4025T
17--15Φ0.40X24T
4--2Φ0.4025T
14--13----------------------
2--1Φ0.4025T
3--4Φ0.4025T
17--15Φ0.40X54T
4--2Φ0.4025T
14--13----------------------
2--1Φ0.4025T
加大耦合﹐减小漏感﹐提高负载能力﹒17--15Φ0.40X24T
2）絕緣空間設計
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﹕层间耐压测试要求﹐与AN有关﹒
膠帶耐壓測試
空气爬電耐壓測試
0.065mm
鐵平板
4﹒0KV
鐵平板
CS2670
耐壓儀
常規安全距离
MARGINTAPE3mm
常規安全距离
MARGINTAPE6mm
wire-core
TUBE保護
woil-woil
爬電距离
woil-woil
TUBE保護
3）开关变压器的参数分析
一﹐漏感Lk﹕當開關管達到高速開關時﹐（截止）由于變壓器的Lk存在﹐開關管兩端就會產生浪涌電壓﹒整机中可以采用（電壓鉗位電路）來控制.
UL
L（dic/dt）
Uc
区
C（dUc/dt）
Ic
IL
二﹐分布電容Cp﹕當開關管（導通）由于開關寄生電容及變壓器Cp產生浪涌電流﹐流向開關產生很大噪聲﹒整机中可以采用（電流限制電路）來控制.
三﹐集膚效應﹕﹒線圈中流過高頻電流時在開關頻率較高﹐電流只在導線的表皮流過﹐稱為集膚效應﹐高速開關下磁力線引起渦流﹐抵消中心電流﹐導線形成空心導体﹒
穿透深度Δ＝6﹒61／√f（mm）高頻>100KHZ,線經不超過穿透深度Δ的兩倍為好﹒
例﹒Δ＝0﹒090﹒09＊2＝0﹒18選用0﹒10－0﹒17
1.关于集肤效应可选用多股线（满足b>aa=r2πb=r2π*xx=x股线）满足高频负载电流﹐降低变压器温升﹒
2.关于Lk与Cp是一对矛盾﹐一般要求变压器平衡Lk与Cp参数﹐Lk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&LK
LEAKAGEFLUX
GAP儲蓄能量
B
B
1/2LI2=*/uo0.4π*AeIg
GAP
Φ1
MUTUALFLUX
Φ2
ΦC
SECONDARY
PRIMARY
B
儲能
體積
磁場
磁感
GAP氣隙長度
Ig=0.4πLI2/Ae*2
B
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﹒
升级会员 