5V,2A 反激式电源变压器设计(EFD20)过程整理_20110310
反激式变压器的设计
反激式变压器的设计(共7页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--反激式变压器的设计反激式变压器的工作与正激式变压器不同。
正激式变压器两边的绕组是同时流过电流的，而反激式变压器先是通过一次绕组把能量存储在磁心材料中，一次侧关断后再把能量传到二次回路。
因此，典型的变压器阻抗折算和一次、二次绕组匝数比关系不能在这里直接使用。
这里的主要物理量是电压、时间、能量。
在进行设计时，在黑箱估计阶段，应先估计出电流的峰值。
磁心尺寸和磁心材料也要选好。
这时，为了变压器能可靠工作，就需要有气隙。
刚开始，在开关管导通时把一次绕组看作是一个电感器件，并满足式(24)。
(24)把 Lpri移到左边，用Ton=Dmax/f 代到上式中，用已知的电源工作参数，通过式(25)就可以算出一次最大电感——最大占空比(通常为50％或。
(25)这个电感值是在输入最小工作电压时，电源输出仍能达到额定输出电压所允许选择的最大电感值。
在开关管导通的每个周期中，存储在磁心的能量为：(26)要验证变压器最大连续输出的功率能否满足负载所需的最大功率，可以使用下式：(27)所有磁心工作在单象限的场合，都要加气隙。
气隙的长度(cm)可以用下式近似(CGS制(美国))：（28a）式中Ac——有效磁心面积，单位为；Bmax——最大磁通密度，单位为G(Wb／cm )。
在MKS系统(欧洲)中气隙的长度(m)为(28b)式中Ac——有效磁心面积，单位为；Bmax——最大磁通密度，单位为T(Wb／m )。
这只是估算的气隙长度，设计者应该选择具有最接近气隙长度的标准磁心型号。
磁心制造厂商为气隙长度提供了一个A L的参数。
这参数是电感磁心绕上1000匝后的数据(美国)。
根据设计好的电感值，绕线的匝数可以用式(29)计算确定。
(29)式中 Lpri——一次电感量，单位为mH。
如果有些特殊的带有气隙的磁心材料没有提供A L。
反激电源变压器设计篇之详细设计步骤
反激电源变压器设计篇之详细设计步骤在上一篇文章中我们讲述了反激电源变压器设计的理论基础，文章链接如下，反激电源变压器设计篇之基础原理本文将详细讲述反激电源变压器在固定频率下连续电流模式的设计过程，这是一个反复迭代至最终满意的过程。
变压器设计过程中，我们主要考察其磁芯是否饱和，磁芯损耗是否可以接受，绕线电流是否符合要求等等。
1. 确定MOSFET的漏源极电压Vds首先确认开关管MOSFET的漏源极电压Vds，有些小功率的电源芯片可能已经将MOSFET集成在内部，一般而言600V左右的MOSFET是最常见的，价格也适中。
国产的昂宝或者芯朋微等电源厂商现在也有能做到高达800V的芯片，可根据实际情况确定。
本文以600V为例进行设计说明。
2. 确定变压器匝数比我们知道反激电源在开关管断开时会产生很大的电压尖峰，如图1所示，这是因为变压器存在漏感。
因此，在实际的电路设计中都会使用RCD钳位电路，示意如图2所示，Llk表示变压器的漏感。
图1图2考虑到器件的降额，Vds电压可以选取80%~90%，尖峰电压我们可以根据经验大概设定在50~80V之间，然后结合最大输入电压，带入上式即可得到变压器的匝数比。
3. 确定占空比反激电源是从升降压拓扑演变而来，最低输入电压是电源工作的最恶劣工况。
根据变压器初级侧电感的伏秒平衡原则，可得下式，这是效率为100%时的理论占空比，我们可以进一步计算得到相对更加精确的占空比。
由于我们知道电源的输出功率Po和输出电压Vo，因此，可以得到输出的负载电流Io，4. 确定电流波形在设计时，我们可以设定连续电流模式的电流纹波率r为0.5，作为迭代的初始条件。
因此，可得初级侧电流纹波，然后，初级侧电流乘以匝数比，就能得到次级侧的电流值。
5. 确定原边侧电感值6. 确定磁芯磁芯很多时候都是根据经验来进行选择，网络或者相关书籍也有一些评估公式可供参考，根据上式得到初步的磁芯体积后，就可以根据磁芯规格参数表来初步选择磁芯了。
反激式变压器设计原理
反激式变压器设计原理
首先，反激式变压器的设计涉及开关电流的控制。
由于开关电流是通过高频开关元件（例如MOSFET）流过的电流，因此开关元件需要能够承受并控制高频开关过程中产生的大电流。
设计师需要确保开关电流在合适的范围内，既不能过小导致电源效率低下，也不能过大影响元件寿命。
其次，反激式变压器通过高频开关实现转换器的工作，常见的工作模式包括连续导通模式（CCM）和间断导通模式（DCM）。
在CCM中，开关元件在整个开关周期内持续导通，保持较小的变压器交流磁通波形，更适合低功率需求。
而在DCM中，开关元件只在一部分开关周期内导通，变压器交流磁通波形变化大，适用于大功率需求。
变压器是反激式变压器的核心部件，负责变换电压。
在设计反激式变压器时，需要确定合适的变压器参数，如匝数比、磁芯材料、磁芯横截面积等。
变压器的匝数比决定了输出电压和输入电压的比例关系，磁芯材料的选择和截面积的确定直接影响变压器的能量传输效率和功率损耗。
最后，反激式变压器还需要控制电路来确保其稳定工作。
控制电路主要包括反馈回路和开关控制电路。
反馈回路可以监测输出电压并将其与设定值进行比较，根据比较结果控制开关元件的导通和断开，以调整输出电压。
开关控制电路则根据设计要求来确定开关元件的工作频率和占空比，以满足输出电压的稳定要求。
总之，反激式变压器设计原理涉及到开关电流控制、转换器工作模式选择、磁元件参数确定和控制电路设计等多个方面。
设计师需要根据具体的应用需求，合理设计这些参数，以实现高效、稳定的电源转换。
反激变压器设计过程
反激变压器设计过程电源参数根据功率、输入输出的情况，我们选择反激电源拓扑。
反激式变压器的优点有:1. 电路简单,能高效提供多路直流输出,因此适合多组输出要求。
2. 转换效率高,损失小。
3. 变压器匝数比值较小。
4. 输入电压在很大的范围内波动时,仍可有较稳定的输出。
设计步骤：1、决定电源参数。
2、计算电路参数。
3、选择磁芯材料。
4、选择磁芯的形状和尺寸。
5、计算变压器匝数、有效气隙电感系数及气隙长度。
6、选择绕组线圈线径。
7、计算变压器损耗和温升。
原理图步骤一、确定电源参数：（有些参数为指标给定，有些参数从资料查得）注：电流比例因数：纹波比例，在重载和低收入情况下的纹波电流和实际电流的比例。
步骤二、计算电路参数：最低直流输入电压：Z为损耗分配因数，如果Z=1.0表示所有损耗都在副边，如果Z=0表示所有的损耗都在原边，在这里取Z=0.5表示原副边都存在损耗。
步骤三、选择磁芯材料：铁氧体材料具有电阻率高，高频损耗小的特点，且有多种材料和磁芯规格满足各要求，加之价格较其它材料低廉，是目前在开关电源中应用最为广泛的材料。
同时也有饱和磁感应比较低，材质脆，不耐冲击，温度性能差的缺点。
采用的是用于开关电源变压器及传输高功率器件的MnZn功率铁氧体材料PC40,其初始磁导率为2300±25％，饱和磁通密度为510mT（25℃时）/390mT（100℃时）,居里温度为215℃。
选择磁芯材料为铁氧体，PC40。
步骤四、选择磁芯的形状和尺寸：高频功率电子电路中离不开磁性材料。
磁性材料主要用于电路中的 变压器、扼流圈(包括谐振电感器)中。
变压器是整个电源供应器的重要核心，所以变压器的计算及验证是很重要的。
磁性材料(Magnetic materials)有个磁饱和问题。
如果磁路饱和，会导致变压器电量传递畸变，使得电感器电感量减小等。
对于电源来说，有效电感量的减小，电源输出纹波将增加， 并且通过开关管的峰值电流将增加。
反激式变压器的设计
反激式变压器的设计反激式变压器（Flyback Transformer）是一种常见的开关电源变压器，具有简单的结构、低成本和高效率等优点，被广泛应用于各种电子设备中。
在进行反激式变压器的设计时，需要确定变压器的参数，包括输入输出电压、功率容量、工作频率等。
本文将详细介绍反激式变压器设计的步骤和注意事项。
设计步骤如下：1.确定输入输出电压：根据电子设备的要求和规格，确定变压器的输入和输出电压。
输入电压一般为交流电压，输出电压可以是直流电压或交流电压。
2.确定功率容量：根据电子设备的功率需求，确定变压器的功率容量。
功率容量是指变压器能够输出的最大功率，它与变压器的尺寸和导线截面积有关。
3.确定工作频率：反激式变压器通常工作在几十千赫兹到数百千赫兹的频率范围内。
选择合适的工作频率可以提高变压器的效率和稳定性。
4.计算变比：根据输入输出电压的比例关系，计算变压器的变比。
变比是指变压器的一次匝数与二次匝数之间的比例关系，它决定了输入输出电压的变换比例。
5.选择磁芯材料：磁芯是变压器的重要组成部分，它决定了变压器的性能和效率。
选择合适的磁芯材料可以提高变压器的磁耦合效果和磁导率。
6.计算匝数：根据输入输出电压的变比和磁芯的尺寸，计算一次匝数和二次匝数。
匝数决定了变压器的输入输出电压和电流。
7.计算绕线参数：根据匝数和导线截面积，计算变压器的绕线电阻和电感。
绕线电阻决定了变压器的功率损耗和温升，电感决定了变压器的高频特性和耦合效果。
8.确定绝缘等级：根据输入输出电压的大小和工作环境的要求，确定变压器的绝缘等级。
绝缘等级决定了变压器的安全性和可靠性。
9.进行结构设计：根据变压器的参数和要求，进行变压器的结构设计。
包括磁芯的形状、绕线的布局和绝缘的设计等。
10.进行实验验证：根据设计的参数和要求，制作样品变压器进行实验验证。
通过实验数据的分析和比较，优化设计参数和结构，最终得到满足要求的变压器。
设计反激式变压器时需要注意以下几点：1.磁芯损耗：磁芯材料有磁滞损耗和涡流损耗，在高频工作下会产生较大的损耗。
反激变压器设计详解
注意事项
• 选择合适的磁芯材料和绕组结构 • 遵循设计规范和行业标准
CREATE TOGETHER
谢谢观看
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反激变压器的分类与特点
反激变压器的分类
• 单端反激变压器：输入输出共用一个绕组 • 双端反激变压器：输入输出各有独立的绕组
反激变压器的特点
• 结构简单，易于集成 • 效率高，损耗较低 • 输出电压稳定，易于调节
反激变压器的主要应用场景
开关电源
• 直流电源转换为稳定直流 • 适用于电子设备、通信设备等
绕组损耗计算
• 根据绕组电阻、绕组电感和工作频率计算绕组损耗 • 考虑绕组绝缘材料和温度影响
反激变压器的效率计算与优化
效率计算
• 根据输入功率、输出功率和损耗计算效率 • 考虑效率计算精度和温度影响
优化方法
• 优化磁芯材料和绕组结构降低损耗 • 提高开关频率和输出电压提高效率
影响反激变压器效率的因素与改进措施
输出电压调整
• 通过改变开关频率或调整输出整流器实现输出电压调整 • 考虑输出电压稳定性和调节精度
输出电流调整
• 通过改变输出滤波器或调整负载实现输出电流调整 • 考虑输出电流稳定性和调节精度
03
反激变压器的损耗与效率计算
磁芯损耗与绕组损耗的计算方法
磁芯损耗计算
• 根据磁通密度、磁芯材料和工作频率计算磁芯损耗 • 考虑磁芯损耗系数和温度影响
• 根据输入电压、输出电压和开关频率计算磁通密度 • 考虑磁芯体积和磁通密度利用率
绕组的结构与匝数设计
绕组结构
• 选择合适的绕组形式，如单层绕组、双层绕组等 • 考虑绕组间距、绕组绝缘和绕组屏蔽
反激式高频变压器设计
开关电源的反激式变压器设计1〕反激式变压器设计介绍反激式电源变换器设计的关键因素之一是变压器的设计。
在此我们所说的变压器不是真正意义上的变压器，而更多的是一个能量存储装置。
在变压器初级导通期间能量存储在磁芯的气隙中，关断期间存储的能量被传送给输出。
初次级的电流不是同时流动的。
因此它更多的被认为是一个带有次级绕组的电感。
反激电路的主要优势是成本，简单和容易得到多路输出。
反激式拓扑对于100W 以内的系统是实用和廉价的。
大于100W的系统由于着重降低装置的电压和电流，其它诸如正激变换器方式就变得更有成效。
反激式变压器设计是一个反复的过程，因为与它的变量个数有关，但是它不是很困难，稍有经验就可快速和容易的处理。
在变压器设计之前的重点是定义电源参数，诸如输入电压，输出功率，最小工作频率，最大占空比等。
根据这些我们就可以计算出变压器参数，选择合适的磁芯。
如果计算参数没有落在设计范围内，重复计算是必要的。
利用网站上的EXCEL电子表格可以容易的处理这些步骤。
属于ISMPS IC的IR40xx系列最初设计应用于准谐振方式，这意味变压器工作于不连续模式（磁场不连续，当变压器中的能量传递到次边后磁场反回到零）。
在PRC模式中的变压器通常也工作于不连续状态，若工作于连续状态时工作频率设置的很低（约20KHZ时一般不实用，因为需要较大尺寸的磁芯）。
因此本应用手册仅包含不连续设计的实例。
2〕电源设计所需的标准在开始变压器设计之前，根据电源的规范必须定义一些参数如下：1〕最小工作频率－ｆmin2〕预计电源效率－η≈0.85~0.9(高压输出 )，0.75~0.85（低压输出）3〕最小直流总线电压－Vmin如110V时最小输入电压85Vac，可有10V抖动）4〕最大占空比－Dm（建议最大值为0.5）5）串联谐振电容值－Cres〔建议取值范围为100pf~1.5nf，见图1〕3〕变压器设计步骤首先计算总输出功率，它包括所有次级输出功率，辅助输出功率和输出二极管的压降。
反激变压器设计过程
反激变压器设计过程反激变压器设计是电力电子领域中重要的设计工作之一，其主要应用于电源供电系统中的低功率电子设备。
反激变压器通过将输入电能进行储能，然后经过开关管的开关转换，输出所需电能，以达到升、降压的目的，同时实现电能的传输和转换。
第一步：确定设计参数：在设计反激变压器之前，首先需要明确设计要求和参数。
包括输入电压、输出电压、输出功率、工作频率等。
这些参数决定了反激变压器的尺寸、绕组参数和开关器件的选择。
第二步：计算变压器参数：根据设计要求和参数，计算出所需的变压器参数。
包括输入输出电压比、绕组匝数、绕组电流、铁芯面积等。
这些参数可以通过经验公式和设计手册进行计算，也可以通过电磁场仿真软件进行计算。
第三步：选择合适的铁芯材料：根据计算得到的铁芯面积和设计要求，选择合适的铁芯材料。
铁芯材料的选择需要考虑材料的磁导率、饱和磁感应强度、损耗等参数。
常用的铁芯材料有软磁合金、铁氧体等。
第四步：设计绕组参数：根据计算得到的绕组匝数和绕组电流，设计绕组的结构和参数。
包括导线截面积、绕组层数、绕组间隔、绕组材料等。
绕组的设计需要考虑到绝缘和散热等问题，确保绕组的安全和性能。
第五步：选择合适的开关管：根据设计要求，选择合适的开关管。
开关管的选择需要考虑到工作电压和电流、开关速度、导通压降、损耗等参数。
常用的开关管有IGBT、MOSFET等。
第六步：设计反激变压器的控制电路：设计反激变压器的控制电路，包括开关管的驱动电路和保护电路。
开关管的驱动电路需要保证开关管能够正确地切换和控制，保护电路需要保证开关管和变压器的安全和稳定工作。
第七步：进行电磁兼容性设计：在设计反激变压器时，需要考虑电磁兼容性问题。
包括电磁辐射和电磁干扰等问题。
通过合理的布局、绕组屏蔽和滤波设计，可以降低电磁辐射和电磁干扰。
第八步：进行样机制作和测试：根据设计结果制作样机，并进行测试。
通过测试得到的结果，可以对设计进行修正和优化，以进一步提高反激变压器的性能和可靠性。
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5V,2A 反激式電源變壓器設計過程整理
已知:
VinAC
= 85V ~ 265V 50/60Hz Vout
= 5V + 5% Iout
= 2A Vbias
= 22V, 0.1A (偏置線圈電壓取 22V, 100mV) η
= 0.8 fs
= 132KHz
計算過程:
1.設工作模式為 DCM 臨界狀態.
Pout = 5*2 = 10W
Pin = Pout/η= 10/0.8 = 12.5W
V inDCmin = 85*
2-30(直流紋波電壓)= 90V V inDCmax = 265* 2=375V
2.匝數比計算 , 設最大占空比Dmax = 0.45 :
13918.12)
45.01(*)2.05.05(45.0*90)1(*)d out (*n max max min in ≈=-++=-++=D V V V D V L DC 式中:
Vd 為輸出整流二極管導通壓降,取0.5V;
VL 為輸出濾波電感壓降, 取0.2V.
3.初級峰值電流計算:
A D V P I DC 494.045
.0*9010*2*out 2p max min in ===
4.初級電感量計算:
H H I V D L DC u 62110*621494
.0*10*13290*45.0p *fs *p 63min in max ====
5.變壓器磁芯選擇EFD20, 參數如下:
Ae = 28.5mm 2 AL = 1200+30%-20%nH/N 2 Le = 45.49mm Cl = 1.59mm -1 Aw = 50.05mm 2 Ap = 1426.425mm 4
6.初級繞組,次級繞組及偏置繞組匝數計算:
)(5482.53285
.0*2.010*10*621*494.0e *w 10*p *p p 4
64匝≈===-A B L I N )(515.413
54n p s 匝≈===N N 匝2091.192
.05.055*)7.022(s *)(b d out bd b ≈=+++=+++=L V V V N V V N 式中:
Lp 為初級電感量, 單位H;
Ip 為初級峰值電流, 單位A;
Bw 為磁芯工作磁感應強度, 取0.2T,單位為T;
Ae 為磁芯截面面積, 單位為cm 2;
Vb 為偏置繞組電壓Vbias=22V ;
Vbd 為偏置繞組整流二極管壓降,取0.7V.
7.氣隙長度計算:
0.168mm cm 0168.010
*62110*285.0*54*14.3*4.0p 10*e *p 4.0g 68
282====---L A N L π 式中:
Lg 單位為cm;
Lp 單位為H;
Ae 單位為cm 2.
8.重新核算占空比Dmin,Dmax 及最大磁通密度Bmax:
(1).當輸入電壓為最低時:V inDCmin =90V
4515.090
13*)2.05.05(13*)2.05.05(V n *)(n *)(max inDCmin d out d out =+++++=+++++=L L V V V V V V D (2).當輸入電壓為最高時:V inDCmax =375V
1649.0375
13*)2.05.05(13*)2.05.05(V n *)(n *)(min inDCmax d out d out =+++++=+++++=L L V V V V V V D (3).Bmax
uass 3000uass 1993100*285
.0*54494.0*621100*e *p p *p max G G A N I L B <=== 式中:
Lp 單位為uH; Ip 單位為A; Np 單位為N(匝); Ae 單位為cm 2.
9.繞組線徑計算及窗口占有率:
肌膚深度:mm 182.010
*1321.66fs 1.663===d , 2d = 0.364mm 線徑選取需滿足:導線直徑需大於兩倍的肌膚深度時,需采用多股線.
假設電流密度 J=4A/mm 2
(1).初級繞組線徑計算:
Ip=0.494A,
I RMS =Ip*max D =0.494*45.0=0.331A ,22mm 0827.0/mm
4.3310w ==A A A ,查表采用Aw = 0.0962mm 2的導線,其裸銅線徑為0.35mm<0.364mm(肌膚深度), 包括皮膜最大直徑為0.402mm.占有窗口面積為Wa=54*0.4022=8.7266mm 2.
(2).次級繞組線徑計算:
Io=2A, I RMS =Io=2A,Aw=2A/4=0.5mm 2,多股并繞采用Aw=0.1257mm 2的導線, 其裸銅線徑為0.4mm,采用0.5/0.1257=4股并繞, 包括皮膜最大直徑為0.456mm. 占有窗口面積為Wa=5*4*0.4562=4.1587mm 2
.
(3).偏置繞組線徑計算:
Io=0.1A, I RMS =Io=0.1A,Aw=0.1A/4=0.025mm 2,采用Aw=0.0254mm 2的導線,其裸銅線徑為0.18mm<0.364mm(肌膚深度), 包括皮膜最大直徑為0.226mm.占有窗口面積為Wa=20*0.2262=1.0215mm 2.
全部繞組占有窗口面積為=8.7266+4.1587+1.0215=13.9068mm2.占總窗口面積=(E-D)*F=50.05mm2的27.8%.
10.結構設計:
EFD20磁芯的骨架,窗口長度13.5mm,寬度10.5mm.如下圖示:
初級繞組導線最大直徑為0.402mm,每層可繞13.5/0.402=33.5匝,54匝要用2層,每層分別繞30匝,24匝,每層厚度為0.402mm.
次級繞組導線最大直徑為0.456mm,每層可繞13.5/0.456=29.6匝,5匝只要用1層,厚度為0.456mm.
偏置繞組導線最大直徑為0.226mm,每層可繞13.5/0.226=59.7匝,20匝只要用1層,厚度為0.226mm.
使用順序繞法,繞組排列如下:
繞組總厚度=0.6+0.402+0.402+0.226+0.456=2.836mm < 磁芯窗口寬度
=(E-D)/2=(15.4-8.9)/2=3.25mm.
11.估算損耗及溫升:
(1).各繞組之線長:
依照平均匝長=2舌寬+2疊厚+4窗寬,得:
Np1 = 2*(8.9+3.6)+4*(0.6+0.201)=28.204mm
Np2 = 2*(8.9+3.6)+4*(0.6+0.201*2+0.15)=29.608mm
Nb = 2*(8.9+3.6)+4*(0.6+0.201*2+0.15*2+0.113)=30.66mm
Ns = 2*(8.9+3.6)+4*(0.6+0.201*2+0.15*4+0.113+0.228)= 31.572mm 即
Np 線長L Np =30*28.204+24*29.608= 1556.712 mm= 155.6712 cm
Nb 線長L Nb =20*30.66= 613.2mm=61.32cm
Ns 線長L Ns =5* 31.572=157.86mm=15.786cm
查線阻表可知: 0.402mm WIRE R DC =0.00259Ω/cm
@100℃ 0.456mm WIRE R DC =0.00198Ω/cm
@100℃ 0.226mm WIRE R DC =0.01001Ω/cm @100℃
R @100℃=1.4* R @20℃
(2).初級,次級各電流值:
求次級各電流值,已知Io=2A.
次級平均峰值電流:A D Io Is pa 636.345
.012max 1=-=-= 次級直流有效電流:A s I D Is pa rms 69.2636.3*)45.01(*max)1(22=-=-= 次級交流有效電流:A I s I Is rms ac 79.1269.2o 2222=-=-=
求初級各電流值:
因為Np*Ip=Ns*Is
初級平均峰值電流:A n Is Ip pa
pa 279.013
636.3=== 初級直流有效電流:A Ip D Ip pa rm s 125.045.0*279.0max*=== 初級交流有效電流:A p I D Ip pa ac 186.0279.0*45.0*max 2===
(3).求各繞組交,直流電阻:
初級:Rp
DC =(L
Np
*R
DC
)/2=(155.6712*0.00259)/2=0.2015Ω
Rp
ac =1.6* Rp
DC
=0.321Ω
次級:Rs
DC =(L
Ns
*R
DC
)/2=(15.786*0.00198)/2=0.0156Ω
Rs
ac =1.6* Rs
DC
=0.0249Ω
偏置:Rb
DC
=61.32*0.01001=0.6138Ω(4).計算各繞組交直流銅損耗:
初級直流損耗:Pp
DC =I2rms* Rp
DC
=0.125*0.2015=0.02518W。