线艺开关变压器结构设计指南
开关电源变压器设计资料完整版

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﹕ 功率因素﹕
η=60-80 % (P2/P2+Pm+ PC) Cosψ=0.6-0.7 (系统 100W 供电 142W)
η>90% ((P2/P2+Pm) Cosψ>0.90 (系统 100W 供电 111W)
非隔离:P-S 共用地﹐俗稱熱底板
P=300V
220V*√2-VD
S1
分
立
元
件
震 蕩
F-
取樣
S2
二.激励方式: 自激勵﹕用變壓器 F+自激勵震蕩
P=300V
S1=1120V V
分
立
元 件
F+
激勵
S2=57V S3=16V
它激勵﹕用集成 IC 它激勵間歇震蕩
P=300 V
F+=5V V
S1=18250V V
P=300V 220V*√2-VD
分
立
元
F+=5
件 V激勵
F-= 12V 取樣
S1=120V
P=300 V
S2=26V S3=16V
F+ =8V
IC
S1=18250V V
S3= +20V S4= +12V
S2=5V
四.控制方式:
PWM:
脉冲宽度调制
Ton 可變
PFM
脉冲频率调制
Ton 恒定
T 恒定
T 可變
HI-POT…….. PHENOLIC. NYLON)……….
开关电源变压器设计

开关电源变压器设计1.前言2.变压器设计原则3.系统输入规格4.变压器设计步骤4.1选择开关管和输出整流二极管4.2计算变压器匝比4.3确定最低输入电压和最大占空比4.4反激变换器的工作过程分析4.5计算初级临界电流均值和峰值4.6计算变压器初级电感量4.7选择变压器磁芯4.8计算变压器初级匝数、次级匝数和气隙长度4.9满载时峰值电流4.10 最大工作磁芯密度Bmax4.11 计算变压器初级电流、副边电流的有效值4.12 计算原边绕组、副边绕组的线径,估算窗口占有率4.13 计算绕组的铜损4.14变压器绕线结构及工艺5.实例设计—12W Flyback变压器设计1. 前言◆反激变换器优点:电路结构简单成本低廉容易得到多路输出应用广泛,比较适合100W以下的小功率电源◆设计难点变压器的工作模式随着输入电压及负载的变化而变化低输入电压,满载条件下变压器工作在连续电流模式 ( CCM )高输入电压,轻载条件下变压器工作在非连续电流模式 ( DCM )2. 变压器设计原则◆温升安规对变压器温升有严格的规定。
Class A的绝对温度不超过90°C;Class B不能超过110°C。
因此,温升在规定范围内,是我们设计变压器必须遵循的准则。
◆成本开关电源设计中,成本是主要的考虑因素,而变压器又是电源系统的重要组成部分,因此如何将变压器的价格,体积和品质最优化,是开关电源设计者努力的方向。
3. 系统输入规格输入电压:Vacmin~ Vacmax输入频率:f L输出电压:V o输出电流:I o工作频率:f S输出功率:P o预估效率:η最大温升:40℃4.0变压器设计步骤4.1选择开关管和输出整流二极管开关管MOSFET:耐压值为V mos输出二极管:肖特基二极管最大反向电压V D正向导通压降为V F4.2计算变压器匝比考虑开关器件电压应力的余量(Typ.=20%)开关ON :0.8·V D > V in max / N + V o开关 OFF :0.8·V MOS > N·( V o+ V F) + V in max匝比:N min < N < N max4.3 确定最低输入电压和最大占空比输入滤波电容:2µF~3µF/W最低输入电压 ( 假设tc=3ms )V in min =√(√2V VV VVV)2−2 × V VV ( V2 − V V V VV最低输入电压,最大功率时,占空比最大D maxD max = V ∙ ( V V + V V )V ∙ ( V V + V V ) + V VV VVV4.4 反激变换器的工作过程分析低输入电压时,负载从轻载到重载,变压器经历从DCM →BCM →CCM 的过程 高输入电压时,负载从轻载到重载,变压器一直工作在DCM4.5 计算初级临界电流均值和峰值按照最小输入电压,最大输出功率(Pomax)的条件计算P o = 1/3P o max时,变换器工作在BCMP o < 1/3P o max时,变换器工作在DCMP o > 1/3P o max时,变换器工作在CCMBCM模式下,最小输入电压时的平均输入电流I in-avg = 13∙ V VVV VV VVV变压器初级临界电流峰值∆I p1 = I pk1 = 2 × V VV−VVVV VVV4.6 计算变压器初级电感量最低输入电压,BCM条件下,最大通时间T on max = 1V V × Dmax变压器初级电感量Lp = V VV VVV × V VV VVV∆V V14.7 选择变压器磁芯基于输出功率和开关频率计算面积乘积,根据面积乘积来选择磁芯AP p = V V × 1062 × V × V V × V V × V V × V V × VK o 是窗口的铜填充系数:取 K o =0.4K c 是磁芯填充系数;对于铁氧体磁芯取 K c =1 Bm 是变压器工作磁通密度,取 B m ≤12 VVVV j 是电流密度,取 j = 4.2A/mm 2考虑绕线空间,尽量选择窗口面积大的磁芯,查表选择Aw 和Ae4.8 计算变压器初级、次级匝数、辅助绕组匝数和气隙长度初级绕组的匝数N p =V in min × t on maxA e ×B m×108增加或者减小匝数只会分别引起磁芯损耗减小或增加在100kHz 条件下,损耗与B2.86成正比,匝数减小5%会使磁芯损耗增加15%次级绕组匝数 N s = N p / N辅助绕组匝数 N cc = ( V cc + 1 ) × N s / ( V o + V F )气隙长度 : l g = 0.4 V × V V × V 2V V4.9 满载时峰值电流CCM 时,T on max 固定不变输入电压不变,BCM 的T on max 等于CCM 的T on max T on max 内,电感电流线形上升增量 ∆I p1 =V VV VVV × V VV VVVV V= ∆I p2低输入电压,满载条件下 P o = 12×η× L p × (I 2pk2 – I 2pk0 ) × f s变压器初级峰值电流 I pk2 =V V / VV VV VVV × V VVV+∆V V224.10 最大工作磁芯密度B maxB max =V V × V VV2V V × V V×108 < B sat如果B max <B sat ,则证明所选择的磁芯通过,否则应重新选择4.11 计算变压器初级电流、副边电流的有效值梯形波电流的中值 :I a = I pk - ∆V2电流直流分量 :I dc = D max × I a电流有效值 : I prms = I a √V VVV电流交流分量 :I ac = I a √VVV (1−V VVV )4.12 计算原边绕组、副边绕组的线径,估算窗口占有率导线的横截面积自然冷却时,一般取电流密度j = 4A / mm2初级绕组:S p = I prms ( A ) / 4 ( A / mm2 )副边绕组:S s = I srms ( A ) / 4 ( A / mm2 )线径及根数集肤深度δ= 6.61 / √V V cm导线线径不超过集肤深度的2倍,若超过集肤深度,则需多股并绕根据安规要求考虑加一定宽度的挡墙2窗口占有率K0A w≥ N p ×V×V V2+ N s ×V×V V2+ N cc ×V×V VV4.13计算绕组的铜损根据导线的电阻和集肤深度,确定每个绕组的铜损耗总损耗一定要小于预算损耗,温升经验公式∆T ≈800 × V VVVV34 × √V V×V V4.14变压器绕线结构及工艺骨架的选取:累计高度、宽度绕法:初级和次级交错式(三明治)绕法:漏感小5. 设计实例—12W开关电源变压器设计5.1系统输入规格输入电压:90Vac~265Vac输入频率:50Hz输出电压:12V输出电流:1.0A输出功率:Po=12W开关频率:50kHz预估效率:0.75输入最大功率:Pin=16W变压器最大温升:40℃5.2开关管MOSFET和输出整流二极管开关管MOSFET耐压: V mos=600V输出二极管:反向压降V D=100V ( 正向导通压降V F=0.5V )5.3计算变压器匝比0.8 ∙ V D > V in max / N + V o 0.8 × 100 > 375 / N +120.8 ∙ V mos > N ∙ ( V o + V F ) + V in max 0.8 × 600 > N × ( 12 + 0.5 ) +3755.5 < N < 8.4取 N = 65.4 最低输入电压和最大占空比选择C in =22µF 最低输入电压:V in min = √(√VV VVV)2−2 × V VV ( V2 − V V )V VV= √1272−2 ×16 ×7 × 10322 × 10−6≈77V最大占空比 :Dmax = V ∙ (V V + V V )V ∙ ( V V + V V )+ V VV VVV = 6 × 12.56 ×12.5+77= 0.495.5 计算初级临界电流均值和峰值I in-avg = 13∙ V VV V VV VVV = 163 ×77= 0.07 A∆I p1 = I pk1 = 2 × V VV −VVV V VVV = 2 ×0.070.49= 0.285 A5.6最大导通时间和初级电感量最大导通时间 : T on max = 1V V× D max = 9.8 VV变压器初级电感量 : L p = V VV VVV ×V VV VVV ∆V V1= 77 ×9.8 × 10−60.285 ≈ 2.7mH5.7 变压器磁芯面积AP p = 12 × 1062 ×0.75 ×0.42 × 50 × 10×1600 ×4= 0.066 cm 2( 铁氧体磁芯 B sat = 3900G , 取 B m = 1600G )查表EF20 A e = 0.335 cm 2,A w = 0.6048 cm 2AP = A w * A e = 0.202 cm 2 > 0.066 cm 25.8 变压器初级匝数、次级匝数、辅助绕组匝数和气隙长度N p =77 ×9.8 × 10−60.335 ×1600×108 = 140.7 取 N p= 140 TsN s = 140 / 6 = 23.3 Ts 取 N s = 23 TsN cc = 19 × 23 / 12.5 ≈ 35 Tsl g = 0.4V ×33.5 × 14022.6= 0.2 mm5.9 满载时峰值电流、最大工作磁通密度I pk2 = VV / V VVV VVV ×VVVV + ∆VV 2 = 1677 ×0.49+ 0.14 = 0.56 ABmax = VV ×VVV2VV ×VV = 2.6×10−3 × 0.560.335 ×140×108 = 3100G < 3900G5.10 变压器初级电流、副边电流的有效值原边各电流:电流中值I pa = 0.42A 电流有效值I prms = 0.29A电流直流值I pdc = 0.20A 电流交流值I pac = 0.208A副边各电流:电流直流值I sdc = 1A 电流有效值I srms = 1.38A电流中值I sa = 1.92A 电流交流值I ac = 0.959A5.11 计算原边、副边绕组的线径,估算窗口占有率线径及根数集肤深度δ= 6.61 / √V V= 6.61 / √50× 103 = 0.29 cm导线的横截面积:电流密度j = 4.2~5A / mm2初级绕组:S p=0.068mm2→Φ0.25mm ×1P→R DC = 4.523mΩ/cm( 100℃ )副边绕组:S s = 0.328mm2→Φ0.40mm×2P→R DC = 0.892mΩ/cm ( 100℃ )Vcc绕组:S cc = 0.1/4.2 = 0.024mm2→Φ0.1mm×2P窗口占有率:0.4 × 60.48 ≥ 140 ×π× 0.1252 + 23 ×π× 0.22 + 35 ×π×0.08224.2 ≥ 13.6 OK5.12 计算绕组的铜损平均匝长 l av = 23.5 mm各绕组绕线长度:原边 l Np = 140 × 23.5 = 329 cm副边 l Ns = 23 × 23.5 = 54.0 cm各绕组直、交流电阻:原边R pdc =1.45Ω R pac =2.38Ω副边R sdc =0.024Ω R sac =0.038ΩVcc 绕组电流过小,忽略绕组损耗各绕组损耗:P u = 0.30W{V V = V VVVV 2× V VVV + V VVV 2 × V VVV =0.22V V V = V VVVV 2× V VVV + V VVV 2 × V VVV =0.08V5.13 计算绕组的铁损计算铁损:查磁芯损耗曲线,PC40在 ΔB = 0.15T 时为80mW / cm 3 铁损 P Fe = 80 × 1.5 = 0.12 W估算温升总损耗 P loss = 0.12 + 0.30 = 0.42 W经验公式 ∆T ≈ × .343356048 = 22℃ < 40℃设计 OK5.14 变压器绕线结构及工艺绕线宽度高度累计查EF20 Bobbin 绕线宽度W=12.1mm ,高度H=2.9mm0.25mm ,最大外径0.275mm 每层35T ,W1=9.62mm0.40mm ,最大外径0.52mm 每层23T ,W2=11.9mm0.10mm ,最大外径0.13mm 每层35T ,W3=9.1mm(0.1mm×2P)总高度 = 0.275×4 + 0.52 × 2 + 0.13 × 3 + 0.03 × 7 = 2.74 mm绕线结构次级→初级→次级。
开关电源变压器设计

开关电源变压器设计1.前言2.变压器设计原则3.系统输入规格4.变压器设计步骤4.1选择开关管和输出整流二极管4.2计算变压器匝比4.3确定最低输入电压和最大占空比4.4反激变换器的工作过程分析4.5计算初级临界电流均值和峰值4.6计算变压器初级电感量4.7选择变压器磁芯4.8计算变压器初级匝数、次级匝数和气隙长度4.9满载时峰值电流4.10 最大工作磁芯密度Bmax4.11 计算变压器初级电流、副边电流的有效值4.12 计算原边绕组、副边绕组的线径,估算窗口占有率4.13 计算绕组的铜损4.14变压器绕线结构及工艺5.实例设计—12W Flyback变压器设计1. 前言◆反激变换器优点:电路结构简单成本低廉容易得到多路输出应用广泛,比较适合100W以下的小功率电源◆设计难点变压器的工作模式随着输入电压及负载的变化而变化低输入电压,满载条件下变压器工作在连续电流模式 ( CCM )高输入电压,轻载条件下变压器工作在非连续电流模式 ( DCM )2. 变压器设计原则◆温升安规对变压器温升有严格的规定。
Class A的绝对温度不超过90°C;Class B不能超过110°C。
因此,温升在规定范围内,是我们设计变压器必须遵循的准则。
◆成本开关电源设计中,成本是主要的考虑因素,而变压器又是电源系统的重要组成部分,因此如何将变压器的价格,体积和品质最优化,是开关电源设计者努力的方向。
3. 系统输入规格输入电压:Vacmin~ Vacmax输入频率:f L输出电压:Vo输出电流:Io工作频率:fS输出功率:Po预估效率:η最大温升:40℃4.0变压器设计步骤4.1选择开关管和输出整流二极管开关管MOSFET:耐压值为Vmos输出二极管:肖特基二极管最大反向电压VD正向导通压降为VF4.2计算变压器匝比考虑开关器件电压应力的余量(Typ.=20%)开关ON :0.8·V D > V in max / N + V o开关 OFF :0.8·V MOS > N·( V o+ V F) + V in max匝比:N min < N < N max4.3 确定最低输入电压和最大占空比输入滤波电容:2µF~3µF/W 最低输入电压 ( 假设tc=3ms )V in min =√(√2V VV VVV )2−2 × V VV ( V2 − V V )V VV最低输入电压,最大功率时,占空比最大D maxD max = V ∙ ( V V + V V )V ∙ ( V V + V V ) + V VV VVV4.4 反激变换器的工作过程分析低输入电压时,负载从轻载到重载,变压器经历从DCM →BCM →CCM 的过程 高输入电压时,负载从轻载到重载,变压器一直工作在DCM4.5 计算初级临界电流均值和峰值按照最小输入电压,最大输出功率(Pomax)的条件计算 P o = 1/3P o max 时,变换器工作在BCM P o < 1/3P o max 时,变换器工作在DCM P o > 1/3P o max 时,变换器工作在CCMBCM 模式下,最小输入电压时的平均输入电流I in-avg =13∙ V VV V VV VVV变压器初级临界电流峰值∆I p1 = I pk1 = 2 × V VV −VVVV VVV4.6 计算变压器初级电感量最低输入电压,BCM 条件下,最大通时间T on max = 1V V× Dmax变压器初级电感量Lp = V VV VVV × V VV VVV∆V V14.7 选择变压器磁芯基于输出功率和开关频率计算面积乘积,根据面积乘积来选择磁芯AP p = V V × 1062 × V × V V × V V × V V × V V × VK o 是窗口的铜填充系数:取 K o =0.4K c 是磁芯填充系数;对于铁氧体磁芯取 K c =1 Bm 是变压器工作磁通密度,取 B m ≤12 VVVV j 是电流密度,取 j = 4.2A/mm 2考虑绕线空间,尽量选择窗口面积大的磁芯,查表选择Aw 和Ae4.8 计算变压器初级、次级匝数、辅助绕组匝数和气隙长度初级绕组的匝数N p =V in min × t on maxA e ×B m×108增加或者减小匝数只会分别引起磁芯损耗减小或增加在100kHz 条件下,损耗与B2.86成正比,匝数减小5%会使磁芯损耗增加15%次级绕组匝数 N s = N p / N辅助绕组匝数 N cc = ( V cc + 1 ) × N s / ( V o + V F )气隙长度 : l g = 0.4 V × V V × V2V V4.9 满载时峰值电流CCM 时,T on max 固定不变输入电压不变,BCM 的T on max 等于CCM 的T on maxT on max 内,电感电流线形上升增量 ∆I p1 = V VV VVV × V VV VVVV V= ∆I p2低输入电压,满载条件下 P o = 12×η× L p × (I 2pk2 – I 2pk0 ) × f s变压器初级峰值电流 I pk2 =V V / VV VV VVV × V VVV+∆V V224.10 最大工作磁芯密度B maxB max =V V × V VV2V V × V V×108< B sat如果B max <B sat ,则证明所选择的磁芯通过,否则应重新选择4.11 计算变压器初级电流、副边电流的有效值梯形波电流的中值 :I a = I pk - ∆V2电流直流分量 :I dc = D max × I a电流有效值 : I prms = I a √V VVV电流交流分量 :I ac = I a √V VVV (1−V VVV )4.12 计算原边绕组、副边绕组的线径,估算窗口占有率导线的横截面积自然冷却时,一般取电流密度j = 4A / mm2初级绕组:Sp = Iprms( A ) / 4 ( A / mm2 )副边绕组:Ss = Isrms( A ) / 4 ( A / mm2 )线径及根数集肤深度δ= 6.61 / √V V cm导线线径不超过集肤深度的2倍,若超过集肤深度,则需多股并绕根据安规要求考虑加一定宽度的挡墙窗口占有率K0A w≥ N p ×V×V V2+ N s ×V×V V2+ N cc ×V×V VV24.13计算绕组的铜损根据导线的电阻和集肤深度,确定每个绕组的铜损耗总损耗一定要小于预算损耗,温升经验公式∆T ≈800 × V VVVV34 × V V×V V4.14变压器绕线结构及工艺骨架的选取:累计高度、宽度绕法:初级和次级交错式(三明治)绕法:漏感小5. 设计实例—12W开关电源变压器设计5.1系统输入规格输入电压:90Vac~265Vac输入频率:50Hz输出电压:12V输出电流:1.0A输出功率:Po=12W开关频率:50kHz预估效率:0.75输入最大功率:Pin=16W变压器最大温升:40℃5.2开关管MOSFET和输出整流二极管开关管MOSFET耐压: Vmos=600V输出二极管:反向压降VD =100V ( 正向导通压降VF=0.5V )5.3计算变压器匝比0.8 ∙ V D > V in max / N + V o 0.8 × 100 > 375 / N +120.8 ∙ V mos > N ∙ ( V o + V F ) + V in max 0.8 × 600 > N × ( 12 + 0.5 ) +375 5.5 < N < 8.4取N = 65.4最低输入电压和最大占空比选择Cin=22µF最低输入电压:Vin min =√(√2VVV VVV)2− 2 × V VV (V2− V V)V VV=√1272− 2 ×16 ×7 × 10−322 × 10−6≈77V最大占空比:Dmax = V ∙ (V V+ V V )V ∙ (V V+ V V)+ V VV VVV =6 × 12.56 ×12.5+77= 0.495.5计算初级临界电流均值和峰值Iin-avg =13∙ V VVV VV VVV=163 ×77= 0.07 A∆I p1 = I pk1 = 2 × V VV−VVVV VVV=2 ×0.070.49= 0.285 A5.6最大导通时间和初级电感量最大导通时间:T on max = 1V V× D max = 9.8 VV变压器初级电感量 : L p = V VV VVV ×V VV VVV ∆V V1= 77 ×9.8 × 10−60.285 ≈ 2.7mH5.7 变压器磁芯面积AP p = 12 × 1062 ×0.75 ×0.42 × 50 × 103 ×1600 ×4= 0.066 cm 2( 铁氧体磁芯 B sat = 3900G , 取 B m = 1600G )查表EF20 A e = 0.335 cm 2,A w = 0.6048 cm 2AP = A w * A e = 0.202 cm 2 > 0.066 cm 25.8 变压器初级匝数、次级匝数、辅助绕组匝数和气隙长度N p =77 ×9.8 × 10−60.335 ×1600×108 = 140.7 取 N p= 140 TsN s = 140 / 6 = 23.3 Ts 取 N s = 23 TsN cc = 19 × 23 / 12.5 ≈ 35 Tsl g = 0.4V ×33.5 × 14022.6= 0.2 mm5.9 满载时峰值电流、最大工作磁通密度I pk2 = VV / V VVV VVV ×VVVV + ∆VV 2 = 1677 ×0.49+ 0.14 = 0.56 ABmax = VV ×VVV2VV ×VV= 2.6×10−3 × 0.560.335 ×140×108= 3100G < 3900G5.10 变压器初级电流、副边电流的有效值原边各电流:电流中值 I pa = 0.42A 电流有效值 I prms = 0.29A 电流直流值 I pdc = 0.20A 电流交流值 I pac = 0.208A副边各电流:电流直流值 I sdc = 1A 电流有效值 I srms = 1.38A 电流中值 I sa = 1.92A 电流交流值 I ac = 0.959A5.11 计算原边、副边绕组的线径,估算窗口占有率线径及根数集肤深度 δ= 6.61 / √V V = 6.61 / √50 × 103= 0.29 cm导线的横截面积:电流密度 j = 4.2~5A / mm 2初级绕组:S p =0.068mm 2→Φ0.25mm ×1P→R DC = 4.523mΩ/cm ( 100℃ ) 副边绕组:S s = 0.328mm 2→Φ0.40mm×2P→R DC = 0.892mΩ/cm ( 100℃ ) Vcc 绕组:S cc = 0.1/4.2 = 0.024mm 2→Φ0.1mm×2P窗口占有率:0.4 × 60.48 ≥ 140 × π× 0.1252+ 23 × π× 0.22+ 35 ×π×0.08224.2 ≥ 13.6 OK5.12 计算绕组的铜损平均匝长 lav= 23.5 mm各绕组绕线长度:原边lNp= 140 × 23.5 = 329 cm副边lNs= 23 × 23.5 = 54.0 cm各绕组直、交流电阻:原边R pdc=1.45Ω R pac=2.38Ω副边R sdc=0.024Ω R sac=0.038ΩVcc绕组电流过小,忽略绕组损耗各绕组损耗:Pu= 0.30W{V V=V VVVV2× VVVV+ V VVV2 × VVVV=0.22V V V=V VVVV2× VVVV+ V VVV2 × VVVV=0.08V5.13 计算绕组的铁损计算铁损:查磁芯损耗曲线,PC40在ΔB = 0.15T时为80mW / cm3铁损P Fe = 80 × 1.5 = 0.12 W估算温升总损耗P loss = 0.12 + 0.30 = 0.42 W经验公式∆T ≈800 × 0.4234 × √33.5 ×60.48= 22℃ < 40℃设计 OK5.14 变压器绕线结构及工艺绕线宽度高度累计查EF20 Bobbin 绕线宽度W=12.1mm,高度H=2.9mm0.25mm,最大外径0.275mm 每层35T,W1=9.62mm0.40mm,最大外径0.52mm 每层23T,W2=11.9mm0.10mm,最大外径0.13mm 每层35T,W3=9.1mm(0.1mm×2P)总高度 = 0.275×4 + 0.52 × 2 + 0.13 × 3 + 0.03 × 7 = 2.74 mm绕线结构次级→初级→次级。
变压器设计方法与技巧汇总

变压器设计方法与技巧变压器设计方法与技巧一、设计2kVA以下的电源变压器及音频变压器一些电子线路设计人员及电子、电工爱好者经常碰到设计好的变压器,绕制时却绕不下;另外,设计的变压器,在带足负载后,次级电压明显下降。
还有一部分设计的变压器的性能良好,但成本较高而没有商业价值。
笔者在这里谈谈变压器的设计方法与技巧。
●变压器截面积确定:大家知道铁芯截面积是根据变压器总功率“P”确定的(A=1.25*SQRT(P)。
在设计时,假定负载是恒定不变的,则其铁芯截面积通常可选取计算的理论值。
如果其负载是变化比较大的,例如,音频、功放电源等变压器的截面积,则应适当大于理论计算值.这样才能保证有足够的功率输出能力(因为一旦截面积确定后,就不可能再选择功率余量了)。
如何确定这些变压器的"P"值呢?应该计算出使用时负荷的最大功率。
并且估算出某些变压器在使用中需要输出的最大功率。
特别是音频变压器、功放电路的电源变压器等(笔者测试过多种功放电路的音频变压器、功放电路的电源变压器;音频变压器在大动态下明显失真,电源变压器在大动态下次级电压明显下降。
经测算,截面积不够是产生上述现象的主要原因之一)。
●每伏匝数的确定:变压器的匝数主要取决于铁芯截面积和硅钢片的质量,通常从参考书籍计算出的每伏匝数是比较多的,经实验证明,从理论设计的数值上,将每伏匝数降低10%~15%是没有问题的。
例如,一只35W的电源变压器,根据理论计算(中矽钢片8500高斯)每伏匝数为7.2匝,而实际每伏只需6匝就可以了,且这样绕制的变压器空载电流在26mA左右。
笔者和同行在解剖过日本生产的家用电器上的电源变压器时发现。
他们生产的变压器每伏匝数比我们国产的变压器线圈匝数要少得多,同样35W的电源变压器每伏匝数只有4.8匝,空载电流45mA左右。
通过适当减少匝数。
绕制出来的变压器不但可以降低内阻,而且避免了采用普通规格硅钢片时经常出现的绕不下的麻烦。
电力变压器结构设计结构设计说明

电力变压器结构设计结构设计一、简介1.为什么要应用变压器电力系统中发电机输出的电能要经过升压才能远距离输电、网络的连接、配电都需要变压器,因此可以说变压器是电力系统中重要的设备之一,对电力系统的安全运行至关重要。
电力变压器简介电力变压器按用途可分为以下几种:a.发电机出口或电力网的前端称为升压变压器b.网络之间联结用称为联络变压器c.网络末端用于将高压电能降压用称为降压变压器d.直接连接用户的变压器称为配电变压器2.变压器的基本概念和基本原理2.1基本概念:变压器是基于电磁感应原理,通过改变电压来传输电能的一种静止电机。
2.2基本原理:法拉第电磁感应定律e=-dΦ/dtΦ=Φmsinωt则E1=-dΦm/dt×N1=-N1Φmωcosωt=-N1Φmωsin〔90°-ωt〕即:E1=N1Φmωsin〔90°-ωt〕〔E1落后Φm90°〕E1m=N1ΦmωE1<rms>= N1Φmω/√2同理E2<rms>= N1Φmω/√2,即N1/N2=E1/E2电力变压器简介3.变压器的分类从大类上,分为电力变压器和特种变压器。
特种变压器大致有:整流变压器、调相变压器、矿用变压器、试验变压器等。
电力变压器又可分为油浸式电力变压器和干式电力变压器。
我们重点学习油浸式电力变压器。
油浸式电力变压器的分类及型号中各符号代表的意义。
电力变压器简介a.耦合方式:自耦用"O"表示,其余不标b.相数:"D"表示单相,"S"表示三相c.冷却方式:冷却介质为风,即油浸风冷用"F",水冷用"S"表示d.循环方式:"P"表示强迫油循环、自然油循环不标e.绕组数:"S"表示三绕组,双绕组不标,"F"表示双分裂绕组f.导线材质:铜导线不标,"L"表示铝导线g.调压方式:"Z"表示有载调压,无载调压不标h.设计序号:1、2、3…目前变压器执行的大部分为"9""10"型产品i.额定容量:国家规定了R10系列优先容量j.额定电压:高压绕组额定电压等级k.防护等级:TH、TA、等。
开关电源变压器设计资料完整版

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=50HZE =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.开关变压器主要设计参数: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 2Ton Br BmI2Bac IdcHBBdcBmBr 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/TonPo/Vi min I pk=2Po/D max Vi min ( Po=VoIo)Vi min*Ton=I pk*Lp Lp=Vi min*D max/I pk*fNp=Lp*I pk/Ae*ΔB Np= ΔB*Ig/0.4π*I pkIg=0.4πL p I pk2/Ae*ΔB2Vo+VD=Vimin*(Dmax/1-Dmax)*Ns/NpNs=(V O+V D)*(1-Dmax)*Np/Vi min*D maxDmin=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=358VVi 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=1.6mHLp=Vimin*Dmax /Ipk*f4) K=358/218=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EER42/15 Ae=183mm2(1.83cm2) Bs=390mT(3900Gs)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0.60X2r2*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=0.12cmIg=0.4πLpIpk2/Ae* ΔB29) Np=1950*0.12/0.4*3.14*2.04=91.32T . Np=(0.0016*2.04/1.83*1950)*108=91.46TNp=ΔB*Ig/0.4π*Ipk Np=Lp*Ipk /Ae*ΔB10) Ns=(5+1)*(1-0.45)*91/218*0.45=3.06T 11)P=1/2*1.6*2.042*30=96WNs=(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65Wf=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 S1): 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+V D) / (Vi*δmax)= 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: Φ0.1*120CNs: Φ0.1*200CN: Φ0.256): 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=20Af=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=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=1.83T︽2T6): N1 =N2/ n=2/0.148=13.5T ︽14TTonmax=(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﹐ETD44A V 音响主功率变压器1-2Φ0﹒35 X725T1-2 Φ0﹒21 X10X2 25T 7-9 Φ0﹒35 X9 5T 7-9 Φ0﹒35 X9 5T2-3 Φ0﹒21 X10X2 25T2-3 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 8T1-2 Φ0﹒25 16T 6--8-------------------- 6--8-------------------- 6--9--------------------6--9--------------------X -2 Φ0﹒30 8T1-2 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 25T3--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 K1﹒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﹒。
反激式开关电源变压器结构设计指南

反激式开关电源变压器结构设计指南反激式开关电源是一种高效率、小尺寸、轻重量的电源,广泛应用于各种电子设备中。
变压器是反激式开关电源中至关重要的部件之一,其结构设计直接影响电源的性能和可靠性。
本文将从变压器的结构设计角度,给出一些指南。
首先,变压器的结构设计中需要考虑的一个重要因素是电源的功率需求。
功率需求越高,变压器的体积和重量也会相应增加。
因此,在设计变压器时需要权衡功率需求与电源的尺寸和重量。
一种常见的方法是采用高频变压器,通过提高开关频率来减小变压器的体积和质量。
其次,变压器的结构设计需要考虑能量损耗和损耗产生的热量。
由于反激式开关电源中的开关器件会产生较大的损耗,因此在变压器的设计中需要考虑如何有效地散热。
一种常见的方法是采用散热片或者散热风扇来增强散热效果。
此外,还可以选择合适的材料来提高能量传递效率,降低损耗。
第三,变压器的结构设计还需要考虑电源的输出稳定性。
输出稳定性是电源的一个重要指标,尤其在一些对输出电压要求较高的应用中更为重要。
在变压器的设计中,可以采取一些措施来提高输出稳定性。
例如,可以采用负反馈调节电路来对输出电压进行控制,通过增大反馈电阻来提高稳定性。
最后,变压器的结构设计还需要考虑电源的可靠性和寿命。
这可以通过选择合适的材料、合适的绕组和合理的结构来实现。
例如,使用高质量的绝缘材料和合适的绝缘工艺可以提高变压器的绝缘性能,延长其使用寿命。
同时,合理的结构设计可以降低振动和噪音,减少部件的磨损和故障的发生。
综上所述,反激式开关电源变压器的结构设计需要考虑功率需求、能量损耗和散热、输出稳定性、可靠性和寿命等多个因素。
只有在充分考虑这些因素的基础上,才能设计出性能稳定、可靠耐用的电源变压器。
开关电源变压器设计

开关电源变压器设计开关电源变压器设计1. 前言2. 变压器设计原则3. 系统输入规格4. 变压器设计步骤4.1选择开关管和输出整流二极管4.2计算变压器匝比4.3确定最低输入电压和最大占空比4.4反激变换器的工作过程分析4.5计算初级临界电流均值和峰值4.6计算变压器初级电感量4.7选择变压器磁芯4.8计算变压器初级匝数、次级匝数和气隙长度4.9满载时峰值电流4.10 最大工作磁芯密度Bmax4.11 计算变压器初级电流、副边电流的有效值4.12 计算原边绕组、副边绕组的线径,估算窗口占有率4.13 计算绕组的铜损4.14 变压器绕线结构及工艺5. 实例设计—12W Flyback变压器设计1. 前言◆反激变换器优点:电路结构简单成本低廉容易得到多路输出应用广泛,比较适合100W以下的小功率电源◆设计难点变压器的工作模式随着输入电压及负载的变化而变化低输入电压,满载条件下变压器工作在连续电流模式( CCM )高输入电压,轻载条件下变压器工作在非连续电流模式( DCM )2. 变压器设计原则◆温升安规对变压器温升有严格的规定。
Class A的绝对温度不超过90°C;Class B不能超过110°C。
因此,温升在规定范围内,是我们设计变压器必须遵循的准则。
◆成本开关电源设计中,成本是主要的考虑因素,而变压器又是电源系统的重要组成部分,因此如何将变压器的价格,体积和品质最优化,是开关电源设计者努力的方向。
3. 系统输入规格输入电压:Vacmin~ Vacmax输入频率:f L输出电压:V o输出电流:I o工作频率:f S输出功率:P o预估效率:η最大温升:40℃4.0变压器设计步骤4.1选择开关管和输出整流二极管开关管MOSFET:耐压值为V mos输出二极管:肖特基二极管最大反向电压V D正向导通压降为V F4.2计算变压器匝比考虑开关器件电压应力的余量(Typ.=20%)开关ON :0.8·V D > V in max / N + V o开关OFF :0.8·V MOS > N·( V o+ V F) + V in max匝比:N min < N < N maxBCM 模式下,最小输入电压时的平均输入电流I in-avg = 13∙ P in V in min变压器初级临界电流峰值∆I p1 = I pk1 = 2 × I in−avgD max4.6 计算变压器初级电感量最低输入电压,BCM 条件下,最大通时间T on max =1f s × D max变压器初级电感量Lp =V in min × T on max ∆I p14.7 选择变压器磁芯基于输出功率和开关频率计算面积乘积,根据面积乘积来选择磁芯AP p =P o × 1062 × η × K o × K c × f s × B m × jK o 是窗口的铜填充系数:取 K o =0.4K c 是磁芯填充系数;对于铁氧体磁芯取 K c =1Bm 是变压器工作磁通密度,取 B m ≤12 Bsatj 是电流密度,取 j = 4.2A/mm 2考虑绕线空间,尽量选择窗口面积大的磁芯,查表选择Aw 和Ae4.8 计算变压器初级、次级匝数、辅助绕组匝数和气隙长度初级绕组的匝数N p = V in min × t on maxA e ×B m×108增加或者减小匝数只会分别引起磁芯损耗减小或增加在100kHz条件下,损耗与B2.86成正比,匝数减小5%会使磁芯损耗增加15% 次级绕组匝数N s = N p / N辅助绕组匝数N cc = ( V cc + 1 ) ×N s / ( V o+ V F )气隙长度: l g = 0.4 π × A e × N2L p4.9 满载时峰值电流CCM时,T on max固定不变输入电压不变,BCM的T on max等于CCM的T on maxT on max内,电感电流线形上升增量∆I p1 = V in min × T on maxL p= ∆I p2低输入电压,满载条件下P o = 12×η× L p × (I2pk2– I2pk0 ) × f s变压器初级峰值电流I pk2 =P o / ηV in min × D max+ ∆I P224.10 最大工作磁芯密度B maxB max = L p × I pk2A e × N p×108< B sat如果B max<B sat,则证明所选择的磁芯通过,否则应重新选择4.11 计算变压器初级电流、副边电流的有效值梯形波电流的中值 :I a = I pk -∆I 2电流直流分量 :I dc = D max × I a电流有效值 : I prms = I a √max电流交流分量 :I ac = I a √D max (1−D max )4.12 计算原边绕组、副边绕组的线径,估算窗口占有率 导线的横截面积自然冷却时,一般取电流密度 j = 4A / mm 2初级绕组:S p = I prms ( A ) / 4 ( A / mm 2 )副边绕组:S s = I srms ( A ) / 4 ( A / mm 2 )线径及根数集肤深度 δ= 6.61 / √f s cm导线线径不超过集肤深度的2倍,若超过集肤深度,则需多股并绕 根据安规要求考虑加一定宽度的挡墙窗口占有率 K 0A w ≥ N p ×π×R p 2 + N s ×π×R s 2 + N cc ×π×R cc 24.13计算绕组的铜损根据导线的电阻和集肤深度,确定每个绕组的铜损耗总损耗一定要小于预算损耗,温升经验公式∆T ≈ loss 34 × A e ×A w4.14变压器绕线结构及工艺骨架的选取:累计高度、宽度绕法:初级和次级交错式(三明治)绕法:漏感小5. 设计实例—12W开关电源变压器设计5.1 系统输入规格输入电压:90Vac~265Vac输入频率:50Hz输出电压:12V输出电流:1.0A输出功率:Po=12W开关频率:50kHz预估效率:0.75输入最大功率:Pin=16W变压器最大温升:40℃5.2 开关管MOSFET和输出整流二极管开关管MOSFET耐压: V mos=600V输出二极管:反向压降V D=100V ( 正向导通压降V F=0.5V )5.3计算变压器匝比0.8 ∙V D > V in max / N + V o→0.8 ×100 > 375 / N +120.8 ∙V mos > N ∙( V o + V F ) + V in max→0.8 ×600 > N ×( 12 + 0.5 ) +375 5.5 < N < 8.4取N = 65.4 最低输入电压和最大占空比选择C in=22µF最低输入电压:V in min = √(√2Vac min)2− 2 × P in (T2− t c)C in=√1272− 2 ×16 ×7 × 10−322 × 10−6≈77V最大占空比:Dmax =N ∙ (V o+ V F )N ∙ ( V o+ V F)+ V in min=6 × 12.56 ×12.5+77= 0.495.5 计算初级临界电流均值和峰值I in-avg =13∙ P inV in min=163 ×77= 0.07 A∆I p1 = I pk1 = 2 × I in−avgD max=2 ×0.070.49= 0.285 A5.6最大导通时间和初级电感量最大导通时间:T on max = 1f s×D max = 9.8 μs变压器初级电感量:L p = V in min×T on max∆I p1=77 ×9.8 × 10−60.285≈2.7mH5.7 变压器磁芯面积AP p =12 × 1062 ×0.75 ×0.42 × 50 × 10 ×1600 ×4= 0.066 cm2( 铁氧体磁芯B sat = 3900G , 取B m = 1600G )查表EF20 A e = 0.335 cm2,A w = 0.6048 cm2AP = A w * A e = 0.202 cm2 > 0.066 cm25.8 变压器初级匝数、次级匝数、辅助绕组匝数和气隙长度N p = 77 ×9.8 × 10−60.335 ×1600×108= 140.7取N p = 140 TsN s = 140 / 6 = 23.3 Ts 取N s = 23 Ts N cc = 19 ×23 / 12.5 ≈35 Tsl g = 0.4π ×33.5 × 14022.6= 0.2 mm5.9 满载时峰值电流、最大工作磁通密度I pk2 =Po / ηVin min×Dmax+∆Ip2=1677 ×0.49+ 0.14 = 0.56 ABmax = Lp ×Ipk2Ae ×Np=2.6×10−3 × 0.560.335 ×140×108= 3100G < 3900G5.10 变压器初级电流、副边电流的有效值原边各电流:电流中值I pa = 0.42A 电流有效值I prms = 0.29A电流直流值I pdc = 0.20A 电流交流值I pac = 0.208A副边各电流:电流直流值I sdc = 1A 电流有效值I srms = 1.38A电流中值I sa = 1.92A 电流交流值I ac = 0.959A5.11 计算原边、副边绕组的线径,估算窗口占有率线径及根数集肤深度δ= 6.61 / √f s= 6.61 / √50 × 103= 0.29 cm 导线的横截面积:电流密度 j = 4.2~5A / mm 2初级绕组:S p =0.068mm 2→Φ0.25mm ×1P →R DC = 4.523mΩ/cm ( 100℃ ) 副边绕组:S s = 0.328mm 2→Φ0.40mm×2P →R DC = 0.892mΩ/cm ( 100℃ ) Vcc 绕组:S cc = 0.1/4.2 = 0.024mm 2 →Φ0.1mm×2P 窗口占有率:0.4 × 60.48 ≥ 140 × π× 0.1252 + 23 × π× 0.22 + 35 ×π× 0.08224.2 ≥ 13.6 OK5.12 计算绕组的铜损平均匝长 l av = 23.5 mm各绕组绕线长度:原边 l Np = 140 × 23.5 = 329 cm副边 l Ns = 23 × 23.5 = 54.0 cm各绕组直、交流电阻:原边R pdc =1.45Ω R pac =2.38Ω副边R sdc =0.024Ω R sac =0.038ΩVcc 绕组电流过小,忽略绕组损耗各绕组损耗:P u = 0.30W {P p = I prms 2× R pdc + I pac 2 × R pac =0.22W P s = I srms 2× R sdc + I sac 2 × R sac =0.08W5.13 计算绕组的铁损计算铁损:查磁芯损耗曲线,PC40在 ΔB = 0.15T 时为80mW / cm 3 铁损 P Fe = 80 × 1.5 = 0.12 W估算温升总损耗 P loss = 0.12 + 0.30 = 0.42 W经验公式 ∆T ≈800 × 0.4234 × √33.5 ×60.48= 22℃ < 40℃设计 OK5.14 变压器绕线结构及工艺绕线宽度高度累计查EF20 Bobbin 绕线宽度W=12.1mm,高度H=2.9mm0.25mm,最大外径0.275mm 每层35T,W1=9.62mm0.40mm,最大外径0.52mm 每层23T,W2=11.9mm0.10mm,最大外径0.13mm 每层35T,W3=9.1mm(0.1mm×2P) 总高度= 0.275×4 + 0.52 × 2 + 0.13 × 3 + 0.03 × 7 = 2.74 mm绕线结构次级→初级→次级。
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Structured Design of Switching Power TransformersDesign of switching power transformers can be accom-plished in a relatively simple manner by limiting magnetic configurations to a few core and coilform structures. These structures have been chosen both for their versatil-ity and their low cost. Dimensional information as well as design information in the form of design curves for the chosen structures may be found at the end of this docu-ment. By using these curves, the complete transformer can be designed.Step 1. Structure sizeThe first step in the design is choosing a minimum struc-ture size consistent with the output power required. The approximate power capabilities of each structure are provided in Table 1. If five or six outputs are required, a larger structure may be required to allow the copper along with insulation and winding crossovers to fit in the available winding area.Step 2. Primary turn countFor a given core size, the ability of an inductor to oper-ate without saturating is directly proportional to its turn count N P . The normal saturation specification is E‑T or volt-time rating. The E‑T rating is the maximum voltage, E , which can be applied over a time of T seconds. (The E‑T rating is identical to the product of inductance L and peak current I .) Equation 1 defines a minimum value of N P for a volt-time product of E‑T :Where:E‑T = the minimum volt-time rating in volt-seconds B = the maximum allowable flux density A E = the effective cross sectional coreEquation 1 is plotted for the specific chosen core struc-tures shown in Figure 1. These plots are for B = 3000 Gauss, which will prevent the core from saturation and typically will provide low core loss suitable for operation in the range of 200 kHz to 400 kHz. For higher frequencies, a higher primary turn count should be used to ensure low core loss. T o use this chart, locate the required E‑T rating on the vertical axis. Move horizontally to the curve. From this point drop vertically to the horizontal axis and deter-mine N P . This value for N P should allow non-saturating operation to 100°C with reasonable core loss.Step 3. Secondary turn countSecondary turn count is a function of duty cycle and primary turn count. For a flyback system:For a forward converter:Where:N P = the primary turn count. N S = the secondary turn count. V S = the secondary output voltage.V D = the voltage drop across the rectifier and choke in the secondary. D = the duty cycle.V P = the voltage across the primary.For the flyback system, D is seldom greater than 0.5. For the forward converter, D is the duty cycle of the rectified output, and can approach 0.9 for a wave rectified output. Known conditions should be used to calculate N S . For example, at minimum input voltage and maximum output power, the supply will operate at maximum duty cycle. This is a good point to use to determine N S .Step 4. Wire sizeOnce all the turn counts have been determined, wire size must be chosen for each winding.Power losses in the transformer windings cause a tem-perature rise, ∆T, in the transformer. The amount of loss depends on how much current is being drawn from the winding, the length of wire and what wire size is used. The power loss is a function of the amount of resistance in the wire. This resistance is composed of a DC resistance (R DC ) and an AC resistance (R AC ). At low frequencies and small wire sizes, for example #30 AWG at 250 kHz, R DC >> R AC , and R AC can effectively be ignored. For larger wire sizes and high frequencies, >500 kHz, it may be necessary to use stranded wire or foil. Let’s assume R ACis small and can be ignored. Then all of the copper losses will be due to R DC. This power loss should be distributed among the primary and secondary windings to minimize hot spots in the transformer. The temperature rise in a given structure is a function of thermal resistance and surface area.In order to calculate the wire size, it is necessary to as-sign an acceptable power loss P L to each winding. The power loss is then used to calculate the required DCR. For flyback transformers:For the forward converter:Where:P L = the maximum allowable power loss in thewinding.I = the peak current in the winding.D1 = the duty cycle of the current rampI AV = the average current in the windingOnce R DC for all the windings has been calculated, the wire size can be determined using the average length per turn (Figure 1) for each coil form. Divide the R DC by the product of the average length per turn times the turn count. This value of R DC per foot can be found listed in any wire manufacturer’s data sheet. From their data, choose a wire size that has the same or slightly less R DC per foot. Step 5. Will it fit?After the wire sizes have been determined, it is necessary to check fit, to see if the available winding area will ac-commodate the copper calculated in the previous steps. The available winding area for the structure chosen is shown in Table 1. The area each winding occupies must be determined, then the areas occupied by each winding are added. T o this total, an area allowing for interwind-ing insulation should be added. Assume about 10% of the available area for insulation. The grand total is then compared to the available winding area. If the area of the windings is greater than the allowed structure area, either wire size must be reduced, or a larger structure must be chosen. Of course, a reduction in wire size results in increased losses in the transformer.A fit of 100% of the available space should not be used. To accommodate winding crossovers, interwinding in-sulation and spaces between turns, it is recommended that a fit factor no greater than about 80% be used. For transformers with multiple outputs this factor may need to be reduced further. T o determine winding area, use the curves in Figure 2. From this chart the number of turns per layer n l can be read directly. Next find the number of layers, l, by divid-ing turns N by n l.(6) Next, find the area per layer, al. Multiply the winding width as shown on the individual coilform drawing (Figures 4 and 5) by the wire diameter. Multiply this value by the number of layers to find the area occupied by the winding.(7) Repeat this procedure for each winding and add to find the total area occupied by the windings.(8) The total winding area, at, added to the area of insula-tion and shielding if required, ai, must be less than the allowed structure area, aw.a a+aw t i≥ (9) Step 6. InductanceFor a forward converter it is generally preferable to have as much inductance as possible. For a flyback, however it is necessary to calculate the desired primary inductance based on the amount of energy stored per cycle (1/2 L I2) required to deliver an average output power Po.L=η(V×t)fon22Po (10) Where:L = inductanceη = transformer efficiency (assume >0.9)V = minimum DC input voltage applied to theprimaryt on = maximum on time for input voltagef = switching frequencyPo = output powerStep 7. Air gapNow that the structure size and winding turn counts have been found, the air gap must be determined. For most forward converters, inductance should be as large as possible and no air gap is required. However for flyback transformers and chokes, an air gap is necessary. For economic reasons and for the best reduction of EMI, cores are usually gapped in the center leg. The amount of gap can be found in Figure 3. T o use this chart it is nec-essary to convert inductance, L, to inductance factor, A L.SummaryThe transformer should now be ready to wind. Sufficient insulation must be used for the required voltage isola-tion. Windings must be uniform and carefully wound to minimize leakage inductance. Some small adjustments may be necessary to obtain the exact results desired, but this procedure will provide a good first draft design.Appendix – Core dataEP and EFD series cores have proven to be both versa-tile and cost effective for transformer design of about 50 Watts or less. EP cores are suitable for lower power and offer the smallest pcb area. EFD cores offer the lowest profile (height). The recommended core sizes are shown in T able 1.Table 1. Core DataEP core stylesEFD core stylesFigure 1. Volt time product vs primary turnsFigure 2. Turns per layer vs wire sizeFigure 3. Inductance factor vs air gapEP13Figure 4. EP core dimensionsEFD17Figure 5. EFD core dimensions。