开关电源变压器设计教案资料.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。开关电源变压器设计-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E4.4fNAeBmf=50HZE4.0fNAeBmf=50KHZNAeBm效率=60-80%(P2P2+Pm+PC)>90%(P2P2+Pm)功率因素Cos=0.6-0.7(系统100W供电142W)Cos>0.90(系统100W供电111W)稳压精度U%=1%(U20-U2U20*100)U<0.2%适配.控制性能差好体积.重量大小EMI濾波電路整流濾波隔離變壓器整流濾波電路PWM控制電路間隙震蕩功率因素改善保護電路IC光電耦合電路取樣放大ACACDCDCSPS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:S2S1P=300V220V*2-VDF取樣分立元件震蕩P=300VS1=120VS1=110VS2=57VF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=85VS1=120VS1=120VS2=12VS1=40VP=40VP=300VS3=±12VF+=5VVS2=5V控制電路VoVi单端反激励(Flyback)控制電路VoViTr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:.Imax.HI-POT.BOBBIN:UL94V-O.(PBT.PHENOLIC.NYLON).TAPE:.h.HI-POT.制程设置要求PN(SOL.SPC).PN/PN.PN-PN.SN(SOL.SPC).n.Mtape:&wTAPE:&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ICS1=120VS2=5VS1=85VS3=+20VS4=+12VP=300VP=300V220V*2-VDF+=5VS2=26VS3=16VF-=12VS1=120V激勵取樣分立元件F=8V四.控制方式:PWM:PFMTon恒定T可變Ton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控制電路VoViTr控制電路VoViTrTonRfzToffRfz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:.Imax.HI-POT.BOBBIN:UL94V-O.(PBT.PHENOLIC.NYLON).TAPE:.h.HI-POT.制程设置要求.傳遞磁能區間增加加GAP曲線Br下降B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*ISK2TonBrBmI2BacIdcHBBdcBmBrToffBmBr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VoViDmax=Ton/TToffT=1/fTon=1/f*DmaxIpCL放電電流IpkIrI磁通變化BBBmr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=12LIpk2*f()Vimin=Ipk*LpTonPoViminIpk=2PoDmaxVimin(Po=VoIo)Vimin*Ton=Ipk*LpLp=Vimin*DmaxIpk*fNp=Lp*IpkAe*BNp=B*Ig0.4*Ipk4Ig=0.4LpIpk2Ae*B2Vo+VD=Vimin*(Dmax1-Dmax)*Ns/NpNs=(VO+VD)*(1-Dmax)*NpVimin*DmaxCore=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=170V270Vf=30KHZVo=5V,Io=20A,Dmax=0.45(设计取值)设计1)Vimin=170*1.4-20=218V,Vimax=270*1.420=358VVimin=170*2-(VD.U)Vimax=270*2-(VD.U)Vimin=(ViACMIN)2-2Po(1/2fL-tc)2)Ipk=2*5*20218*0.45=2.04ACINIpk=2PoDmaxVimin(Po=VoIo)Po=12LIpk2*f()3)Lp=218*0.452.04*30000=1.6mHLp=Vimin*DmaxIpk*f4)K=358218=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EER4215Ae=183mm2(1.83cm2)Bs=390mT(3900Gs)Core=g/w(f=20kHzREF)7)WIRE查表或S=I/3=20/3=2.58mm选"铜箔"为佳.P=2.04/3=0.82,选0.60X2r2*(2.58/2)2*3.14=5.225选择19#,=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*2.0421.83*19502)*108=0.12cmIg=0.4LpIpk2Ae*B29)Np=1950*0.120.4*3.14*2.04=91.32T.Np=(0.0016*2.041.83*1950)*108=91.46TNp=B*Ig0.4*IpkNp=Lp*IpkAe*B10)Ns=(5+1)*(1-0.45)*91218*0.45=3.06T11）P=1/2*1.6*2.042*30=96WNs=(VO+VD)*(1-Dmax)*NpVimin*DmaxP=1/2LI2*f另一种法,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(3660V),额定输出电压电流Vo=5.0VIo=11A额定输出功率55W.最大输出功率65Wf=470kHz(450500kHz)max=0.42=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*max)=4*(5.5+1)/(36*0.42)=1.7TS调整为2TS4):反馈绕组.N=Np*(15+1)/(36*0.42)=6*16/(36*0.42)=6TS5):选择绕组线径Np:0.1*120CNs:0.1*200CN:0.256):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(85V135V),额定输出电压电流Vo=5.0V(4.5-5.5)Io=20Af=200kHzmax=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=1.83T2T6):N1=N2/n=2/0.148=13.5T14TTonmax=(Vo+VL+VF)*T/V2min=2.09Dmax=Tonmax/T=2.09/5=0.4180.42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）PS（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12035X725T12021X10X225T79035X95T79035X95T23021X10X225T23035X725T减小绕线高度对理线较合理（1）（3）例二EI22DVD辅助变压器1X0308T1202516T6-8-6-8-6-9-6-9-X20308T1202516T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3-40.4025T17-150.40X24T4-20.4025T14-13-2-10.4025T3-40.4025T17-150.40X54T4-20.4025T14-13-2-10.4025T加大耦合减小漏感提高负载能力17-150.40X24T2）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/1000V2TAPE（00250065）PS三层规定1层>4000V延伸变形后1500V3S线圈S线圈之间爬电耐压距离1500V1.5mm4边缘胶带MARGINTAPE爬电耐压距离边缘安胶W=3mm可根据Vi电压W1.52.mm5采用TEXE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/602mA)制程条件UL3.0KV1.2倍/22mA8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0.065mm2mm2.0KVCS2670耐壓儀鐵平板40KV鐵平板CS2670耐壓儀常規安全距离MARGINTAPE3mm常規安全距离MARGINTAPE6mmwire-coreTUBE保護woil-woil爬電距离woil-woilTUBE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.ULL(dic/dt)Uc区C(dUc/dt)IcIL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661f（mm）高頻>100KHZ,線經不超過穿透深度的兩倍為好例0090092018選用0100171.关于集肤效应可选用多股线（满足b>aa=r2b=r2*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&LKLEAKAGEFLUXGAP儲蓄能量BB1/2LI2=*/uo0.4*AeIgGAP1MUTUALFLUX2CSECONDARYPRIMARYB儲能體積磁場磁感GAP氣隙長度Ig=0.4LI2/Ae*2B1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3LEAKAGE漏感初级绕组P&S次级主绕组相邻紧密耦合面积大（PS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-