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。还节省了成本，提高了性价比。

●漆包线的线径确定：

线径是根据负载电流而确定的。由于在不同的情况下，漆包线通载电流差距较大，故确定线径的幅度也较大，一般在额定的电流下连续工作的变压器，其工作电流基本不变，但在散热条件不理想，且环境温度比较高时，应按电流密度为2A/mm2选取漆包线的线经。如果变压器连续工作时负载电流基本不变，但本身散热条件很好，环境温度又不高，漆包线按电流密度2.5A/mm2选取线径：假如一般时段工作电流只有最大电流的1／2。漆包线按电流密度3—3.5A／mm2选取线径。音频变压器的漆包线按电流密度3.5～4A/mm2选取线径。这样，因时制宜取材，既可保证质量又可大大降低成本。

二、两种特殊变压器设计方法与技巧

●高压工频变压器：

这类变压器往往工作电压几千伏，但电流只有毫安至几十毫安，由于电压较高，次级的绝缘要求很高，在绕制时，常采用层层垫纸，这按通常方法设计且采用普通规格化的硅钢片是绕不下的。故应选用窗口较大的硅钢片，另外适当增加叠厚，用加大截面积的办法来减少初、次级的匝数。

●多次级的变压器：

这类变压器的次级多数在七八组以上．电流大小不等，但每组不一定同时接负载，所以计算功率不一定全部算进去，只要将同时带负载的次级绕组计算出来即可。同样应选窗口较大的硅钢片，初级线圈的线径应根据次级各组同时使用的实际功率确定。采用以上的方法设计。既能保证性能又可以降低生产的成本。

变压器设计心得

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变压器原理

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当我们把导线插入220V电源插座，就会发生短路现象，可是插入变压器就不会，区别就在于变压器原边的线圈导线是绕在铁芯上的，难道仅仅因为多了个铁芯，导线就失去短路作用了吗？是的，导线插入铁芯后就变成了电感线圈，根据楞次定律：感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，(注意：“阻碍”不是“相反”，原磁通量增大时方向相反，原磁通量减小时方向相同；“阻碍”也不是阻止，电路中的磁通量还是变化的。)变压器原边将产生一个大小相等，方向相反的反向电动势抵消输入的220V电压，导线中仅有微弱的励磁电流流过(维持磁场需要有一个电流)，所以，导线失去了短路作用。

如果真是这样，那么在铁钉上绕几圈漆包线，再把导线插入220V电源插座，是不是就不会短路了？肯定会短路的。原因就是铁芯磁饱和了，无法产生反向电动势抵消输入电压，此时，导线还是相当于短路线。拆开变压器，可以看到，线圈匝数很多，额定功率越大的变压器，铁芯体积越大，其中的原因就是为了让变压器工作在变压器状态，而不是进入磁饱和状态。

也就是说，我们实际中使用的变压器都是非理想的，有可能进入磁饱和状态，从而失去变压器功能。我们设计变压器的目的就是保证在额定电压，额定功率下，变压器正常工作。如果真的存在理想变压器就不需要我们设计了。

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变压器设计

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除了满足正常工作的要求外，变压器设计还要满足：体积、重量、温度、成本等要求，所以，实际变压器的设计可不是一件容易的事情。书本上的理论分析全都是用的理想变压器，书上说变压器可以实现变压、

阻抗匹配、隔离等等功能，但是隐含前提是变压器工作在变压器状态，如果饱和了，那就没有这些功能了。

一个实际变压器还存在导线电阻、漏感、分布电容、分布电感、温升(铜损、铁损)等等问题，根据不同的变压器类型，有些参数不能忽略。

制作变压器我们需要知道以下信息：

1、磁芯规格(磁芯形状、磁芯大小、磁芯材料)

2、匝数与导线规格(原副边匝数、导线直径)

3、损耗与温升

4、导线结构：多股线或扁平线

5、绕组结构：多层或分段饶制

6、端空设计：按绝缘电位设计端空

磁芯规格其实就是要确定横截面积和工作点。一般功率决定横截面积大小，功率越大，横截面积越大。有经验公式可以快速根据功率确定横截面积，也可以直接查表。

磁芯材料确定后，根据其特性曲线，我们要选择合适的工作点B0。B0太大会导致磁饱和，太小又会使得体积庞大、重量沉、功耗大、成本高。

当电源频率、工作点B0、横截面积都确定后，就可以计算出每伏匝数，用输入电压除以每伏匝数就可以得到原边匝数。进而可以求得副边匝数。

导线直径取决于电流密度，而电流密度又取决于电压调整率或温升，受二者共同约束，哪个约束条件算出来的J值小，就选择哪个J值。J值小肯定不会有温升/电压调整率问题，但也不是越小越好，J小的话，导线直径太粗，铜重量大、体积大、成本高，有时线包厚度可能超过铁芯窗口尺寸，根本无法绕制。

电流密度J和温升有什么关系呢？很多初学者可能想到去查书，其实，变压器设计是一项实践性很强的工作，理论派这时已经玩不转了，此时需要大量实践经验。也有人可能会抱怨资料不足，这不是问题，没有资料可以做实验得到。就象没有DIP器件封装数据，你完全可以直接用尺子量出引脚间距来。不知道程序出错原因，完全可以通过调试找到。

温升和铜损铁损有关，和散热条件有关，带散热片的温度就低，散热片上有风扇的温度更低，风扇转速快的肯定温度又要降低了。此外，还和外部环境温度有关，在南极零下50度，温升就不是问题，在赤道沙漠里，温升可能导致铁芯磁特性曲线飘移，进而磁饱和，失去变压器功能。总之决定温升的因素很复杂：管芯到封装的热阻、接触面积、接触面光滑度、导热硅脂、散热器材料体积、表面积、鳍形、涂层材料、颜色、空气密度、流速等共同决定温升。

因此，电流密度J和温升的关系只能凭经验确定了。一般通过经验公式确定。所谓经验公式是指：通过一系列结果可重复的实验，得到数据曲线，使用数值分析方法多项式拟合，得到经验公式。此公式在我们的经验范围内正确，可以准确预测结果，可以重复验证。注意：经验公式存在局限性，如果预测结果不对，就需要再次修正经验公式，增加我们的经验。由此可知，经验越多，越不容易出错，想要设计好变压器需要积累大量经验。

毕竟，变压器是一种商品，我们没有必要每次都从头设计，那样太浪费时间。此时，利用表格、EXECL电子表格、经验值可以大大加快设计速度。

比如：可以规定电流密度J选2.5A/平方毫米，内绕组J适当降低，外绕组J适当提高，散热好的甚至可以

达到10A/平方毫米，这样就不用详细计算了。

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变压器类型

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电源(工频)变压器

最常见的变压器，输入220VAC 50HZ，输出各种直流电压。

因为频率低，基本不考虑分布参数，可以乱绕。

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隔离变压器

变比一般为1：1，主要目的是隔离。因为市电零线接大地，人碰到热底板上的零线相对还算安全，一旦碰到火线，就会和大地形成回路，导致触电。经过变压器隔离后，人单独碰到任何一根线都不会触电，两根线对地浮空，都不会和大地形成回路，电压只存在于两根线之间，所以安全。

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音频变压器

输入变压器

级间变压器

输出变压器

线间变压器

匹配变压器

调幅变压器

电子管/晶体管收音机/音响中，需要在各级放大电路之间增加变压器进行阻抗匹配和谐振，使得后级获得最大输出功率。收音机里的变压器俗称中周。

音频变压器中的频率较高，不能忽略分布参数，而且，要把晶体管输入输出电阻折算到变压器中。一般先抽象出一个等效电路，再简化，然后根据分布参数约束条件获得等效电路各参数值。有了这些信息，就可以计算出功率，进而得到横截面积，线圈匝数，导线直径等等变压器绕制参数。这样我们就可以得到满足分布参数要求，能够工作在变压器状态(不饱和)，具有正确阻抗变换功能的变压器了。

为什么三极管集电极接在中周的中间点？

这种部分接入的主要目的是减小三极管输出电阻rce对谐振阻抗及Q值的影响。

设中周的中间点到直流电源点的圈数为n1，中周初级线圈总圈数为n2，变比n=n2/n1，当rce并连到n1线圈时，折算到n2线圈将是rce的n方倍，使谐振阻抗及Q值只有少量下降，保证了足够的电压放大倍数和选择性指标。

早期的电子管收音机中，由于电子管的输出阻抗极大，根本不用考虑这个问题，所以在电子管电路中就不存在“接中周中间点”的接法。

大部分人做过收音机，但是很少人自己设计绕制中周和输入输出变压器，现在学习了音频变压器设计，你就可以自己绕了，再不用担心买不到合适的中周变压器了，哈哈。注意：音频变压器对工艺要求较高，不太容易成功。另外，玩胆机(电子管)音响的朋友更是需要自己绕变压器了，尽管电子管和晶体管有点差别，但是学习了以上内容，自制变压器就不是难事了。

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脉冲变压器

我们在8019网卡芯片中就用到了脉冲变压器，起隔离作用，变比1：1。想不想知道这种变压器是怎么设计

的呢？想不想自己绕一个呢？

其实脉冲变压器也是变压器的一种，只不过脉冲波含有大量频率分量，不能忽略分布参数影响，绕制工艺要求高，一般也要先抽象出一个等效电路，再简化，然后根据分布参数约束条件获得等效电路各参数值。与音频变压器不同的是，其约束条件参数不一样。脉冲波形参数约束条件有：峰值脉冲幅度、脉冲持续时间、脉冲上升时间、脉冲下降时间、顶降、脉冲顶峰、过冲、反摆、回摆、恢复时间。根据这些信息，就可以计算出功率，进而得到横截面积，线圈匝数，导线直径等等变压器绕制参数。这样我们就可以得到满足分布参数要求，满足脉冲波形参数约束条件要求，能够工作在变压器状态(不饱和)，能够正确传递脉冲能量(脉冲波形变化符合要求)的变压器了。

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开关电源变压器

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特种变压器

稳压变压器

霓虹灯变压器

微波炉变压器

机场助行航灯光用变压器

超隔离变压器

传输线变压器

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铁芯电感器

电源滤波扼流圈

交流扼流圈

电感线圈

镇流器

超声换能器用匹配电感

铁氧体磁芯电感

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工频变压器设计，用于电子管音响，

工频变压器是最简单的变压器，基本不用考虑分布电感、分布电容、信号源内阻、等效电路各种指标等复杂因素，直接按标准化步骤操作即可，所以用工频变压器来进行变压器设计入门是最好不过了。简单说就是根据功率选择铁心，然后计算匝数，再看能否绕下。不同的人设计标准不同，可能和下面计算有偏差，但是本质思想都是一样的。有时算到后面需要重新再来，其实相当于一个迭代设计过程，反复设计直至满足要求为止。

理论计算完成后还需要实际测试效果进行验证，因为铁心参数，制作工艺可能和我们假设的不一样，所以设计完成后基本都需要再根据实测结果进行调整。

要求：

高压输出：260V，150ma ；

灯丝1：5V，3A；

灯丝2：6.3v，3A 中心处抽头；

初、次级间应加有屏蔽层。

根据要求铁芯型号采用“GEIB一35”。

计算如下：

（1）计算变压器功率容量（输入视在功率）：

P ＝（1.4×高压交流电压×电流＋灯丝1电压×电流＋灯丝2电压×电流）/ 效率＝（1.4×260×0.15＋5×3＋6.3×3）/ 0.9

＝（54.6＋15＋18.9）/ 0.9

＝ 98.33VA

（2）计算原边电流

I1＝1.05×P / 220＝0.469A

（3）按照选定的电流密度（由计划的连续时间决定），选取漆包线直径。

如按照3A/mm2计算：D＝0.65×√I （0.65×电流的开方）

并规整为产品规格里有的线径（可查资料）：

选定：

原边直径D1＝0.45mm

高压绕组直径D2＝0.25mm

灯丝绕组直径D3＝D4＝1.12mm

(4）铁心截面面积

S0＝1.25√（P）＝1.25×√98＝12.5CM2

（5）铁心叠厚：

根据他的要求铁芯型号采用“GEIB一35”，

查到：舌宽＝35MM＝3.5CM

则：叠厚＝12.5 / 3.5 ＝3.6CM

一般地（叠厚/舌宽）在1－2之间是比较合适的。

（6）铁心有效截面积：

S1＝舌宽×叠厚 / 1.1 ＝ 11.454 CM2

（7）计算每伏匝数

计算式：每伏匝数n＝（45000）/（B×S1）

其中

B＝10000－12000（中等质量硅钢片，如原先上海无线电27厂产品铁心）

或15000（Z11等高质量硅硅片）

或8000（电动机用硅钢片）。

S1：铁心有效截面积，等于（舌宽×叠厚）/1.1

假定是中等质量铁心，并且保守点，取B＝10000

则：

n＝450000 / B×S1

= 450000 /（10000×11.454）

＝3.93 (T / V )

（8）计算每组匝数

原边圈数：N1＝220n＝220×3.93×0.95＝822（T）

副边高压：N2＝260×1.05×n＝1073（T）－－这是一半，还要再×2＝2146T。

灯丝1（5V）： N3＝5×1.05×n＝21（T）

灯丝2（6.3V）：N3＝6.3×1.05×n ＝26（T）

（10）计算每层可绕圈数（窗口高度两端要留下3MM）：

查得该铁心窗口高度h＝61.5mm，

查表得知：选用的漆包线带漆皮最大外径

D1Max＝0.51mm

D2Max＝0.30mm

D3Max＝1.23mm

D4Max＝1.23mm

按照每层可绕：N ＝（h－0.5－2×3）/（K×DMax）计算

（分子的含义是：由h＝61.5mm＝＝》可绕线宽度为61.5－0.5－2×3＝55mm）

（分母是排线系数K×最大外径DMax，对于初学者，小于0.3的线K＝1.20，0.3－0.8的线K＝1.15，大于0.8的线K=1.10。。如您已经有较好的绕线经验，K可以＝105～102）

代入上述数据得到：

原边每层可绕：94圈

高压每层可绕：154圈

灯丝每层可绕：39圈（最后有讨论）。

（也可以直接查“每厘米可绕圈数表”得到）

（11）各绕组的层数

前面已经算出各组圈数则，则各绕组的层数：

原边＝822/ 94＝8.74，取9层

高压＝2146/154＝13.94，取14层

灯丝1：1层，

灯丝2：1层。

（12）绝缘设计

骨架，用1MM厚红钢纸，外加0.15MM覆膜青壳纸1层＋0.08MM电缆纸1层；

原边绕组垫纸用0.08MM电缆纸；

副边高压绕组垫纸用0.05MM电缆纸；

组间绝缘用0.08MM电缆纸1层＋0.15MM覆膜青壳纸2层＋0.08MM电缆纸1层；

（绕组外绝缘同组间绝缘）

（13）计算线包（压实的）厚度：

＝（1＋0.15+0.08）（骨架及内层绝缘）

＋（9×0.51＋8×0.08）（原边绕组）

＋（0.08×2＋0.15×2）（组间绝缘1）

＋（隔离层，如可能用0.05铜箔，如无，就用与高压绕组同直径的线绕一层代）

＋（0.08×2＋0.15×2）（组间绝缘2）

＋（14×0.30＋13×0.05）（高压绕组）

＋（0.08×2＋0.15×2）（组间绝缘3）

＋（1.23）（灯丝1）

＋（0.08×2＋0.15×2）（组间绝缘4）

＋（1.23）（灯丝2）

＋（0.08×2＋0.15×2）（线包外间绝缘）

＝1.23＋5.23＋0.46＋0.30＋0.46＋4.85＋0.46＋1.23＋0.46＋1.23＋0.46

＝16.37mm

（14）检验“蓬松系数”

蓬松系数＝铁片窗口宽度 / 线包（压实的）厚度

“蓬松系数”一般可以在1.2－1.3间，蓬松系数小者要注意绕的十分紧才行，蓬松系数过大说明选的铁心规格大了，要重选重算。对于经验不多的初学者，不妨以1.3－1.35进行检验。不然可能绕完了发现装不进铁片。

检验：

蓬松系数＝22 / 16.37 ＝ 1.34

很合适的呀。

（15）修正方案：：

灯丝绕组可以选用0.8nn直径漆包线2根并绕（0.80线最大外径0.89，每层可绕54圈，6.3V绕组26×2，刚好可以绕下）。这样导线可以分布开来不至于只有半边，绕出来的线包就比较平整。还可以减小绕组厚度。这时，

计算线包（压实的）厚度：

＝1.23＋5.23＋0.46＋0.30＋0.46＋4.85＋0.46＋0.89＋0.46＋0.89＋0.46

＝15.69mm

蓬松系数＝22 / 15.69 ＝1.41

这就非常之宽松了，说明选的铁心规格大了，利用手头现有铁心当然可以。保证可以成功。

计算完毕

65W-105W具有过流保护的电子变压器

65W-105W具有过流保护的电子变压器,65-105W Power Converter

关键字：电子变压器电路图

（1）该电路的核心是由C2、C3、T3、L3加上触发电路R2、C4、D7、L2两者组成的双端半桥自激式开关变换电路，其中DB1是一种双向触发二极管，触发电压为30V；T-L1-3是在小的高频磁环（直径7mm×29mm×12mm），初级用直径0.50mm 规格的漆包线绕制48圈，电感量为9.5mH，次级用30根直径0.23mm规格的漆包线绕制5圈而成，初次级间用合适尼龙套绝缘，可达到CE安全标准要求。（2）Q1、C4、C5、R3、R4、D8、R8组成过流保护电路，当输出级短路或过载时，电阻R2上的电压会大增，经过D3、R3、R7、C8积分分压后触发三极管Q1导通，从而使开关管不能被触发导通而起到保护作用，C4在保护电路中起状态保持作用。

（3）C1、L1组成LC式单臂滤波器，发滤除开关电路产生的尖锋脉冲。L1用直径0.37mm规格漆包线在EE-20型式的高频磁芯上绕制200圈而成。高频磁芯间需预留一间隙，以防止磁芯饱和，绕好后的L1电感量应为6.9mH左右。

（4）F1是800mA的快熔型保险管，R1是压敏电阻，F2是热敏保险，安装时应和开关管T2、T3的散热器连在一起。以上元件可在输入电路过流、过压及三极管过热时起到保护作用。

（5）D5、D6、D8、D9、C6、C7都是起泄放输出变压器L3的反峰电压作用。

适合初学者制作的TOP22X 系列开关电源(带变压器数据，参数精确)

TOP22X 系列虽然出来得比较早，但外围简单、高效，适合初学者制作。图下面的是量产的真实数据。变压器都是PC40材质。同样适合100KHZ 的其它芯片驱动的单端反激式开关电源！

1. 12V/1A ，12W 电源。IC 用TOP223Y ，100KHz 。 磁芯：EE19，气息：0.15mm, 初级电感：950uH ， 初级：直径0.21单线饶110T ，次级：0.41*2绕11T ，反馈：8T

2. 12V/1.5A ，18W 电源。IC 用TOP223Y ，100KHz 。 磁芯：EE22，气息：0.2mm, 初级电感：900uH ， 初级：直径0.26单线饶85T ，次级：0.47*3绕10T ，反馈：8T

3. 12V/2A ，24W 电源。IC 用TOP223Y ，100KHz 。 磁芯：EE25，气息：0.25mm, 初级电感：850uH ， 初级：直径0.33单线饶85T 次级：0.47*4绕10T ，反馈：8T

4. 12V/2.5A ，30W 电源。IC 用TOP223Y ，100KHz 。 磁芯：PQ2020，气息：0.25mm, 初级电感：800uH ， 初级：直径0.33单线饶75T ，次级：0.47*5绕9T ，反馈：6T

5. 12V/3A ，36W 电源。IC 用TOP224Y ，100KHz 。 磁芯：EC28，气息：0.25mm, 初级电感：730uH ， 初级：直径0.33单线饶60T ，次级：0.47*5绕8T ， 反馈：5T

6. 12V/4.2A ，50W 电源。IC 用TOP224Y ，100KHz 。 磁芯：PQ2620，气息：0.25mm, 初级电感：700uH ， 初级：直径0.33单线饶50T ，次级：0.47*8绕6T ，反馈：4T

7. 12V/5A ，75W 电源。IC 用TOP225Y ，100KHz 。 磁芯：PQ2625，气息：0.3mm, 初级电感：600uH ， 初级：直径0.41单线饶48T ，次级：0.47*8绕6T ，反馈：4T 8. 12V/8.1A ，100W 电源。IC 用TOP227Y ，100KHz 。 磁芯：EC35，气息：0.35mm, 初级电感：550uH ， 初级：直径0.41*2饶45T ，次级：0.47*15绕6T ，反馈：4T

9. 12V/10A ，120W 电源。IC 用TOP227Y ，100KHz 。 磁芯：PQ3230，气息：0.35mm, 初级电感：450uH ，

初级：直径0.41*2饶38T ，次级：0.47*18绕5T ，

反馈：3T

开关电源设计的噪声降低法

开关电源的特征就是产生强电磁噪声，若不加严格控制，将产生极大的干扰。下面介绍的技术有助于降低开关电源噪声，能用于高灵敏度的模拟电路。

1 电路和器件的选择

一个关键点是保持dv/dt 和di/dt 在较低水平,有许多电路通过减小dv/dt 和/或di/dt 来减小辐射，这也减轻了对开关管的压力，这些电路包括ZVS(零电压开关)、ZCS(零电流开关)、共振模式.(ZCS 的一种)、SEPIC(单端初级电感转换器)、CK(一套磁结构，以其发明者命名)等。

减小开关时间并非一定就能引起效率的提高，因为磁性元件的RF 振荡需要强损耗的缓冲，最终可以观察到不断减弱的回程。使用软开关技术，虽然会稍微降低效率，但在节省成本和滤波/屏蔽所占用空间方面有更大的好处。

2 阻尼

为了保护开关管免受由于寄生参数等因素引起的振荡尖峰电压的冲击常需要阻尼。阻尼器连到有问题的线圈上，这也可以减小发射。

阻尼器有多种类型：从EMC 角度看，RC 阻尼器通常在EMC 上是最好的，但比其他的发热多一些。权衡各方面的利弊，在缓冲器中应谨慎使用感性电阻。

3 磁性元件有关问题及解决方案

特别需注意的是电感和变压器的磁路要闭合。例如，用环形或无缝磁芯，环形铁粉芯适合于存储磁能的场合，若在磁环上开缝，则需一个完全短路环来减小寄生泄漏磁场。

初级开关噪声会通过隔离变压器的线圈匝间电容注入到次级，在次级产生共模噪声，这些噪声电流难以滤除，而且由于流过路径较长，便会产生发射现象。

一种很有效的技术是将次级地用小电容连接到初级电源线上，从而为这些共模电流提供一条返回路径，但要注意安全，千万别超出安全标准标明的总的泄漏地电流，这个电容也有助于次级滤波器更好的工作。

线圈匝间屏蔽(隔离变压器内)可以更有效地抑制次级上感应的初级开关噪声。虽然也曾有过五层以上的屏蔽，但三层屏蔽更常见。靠近初级线圈的屏蔽通常连到一次电源线上，靠近次级线圈的屏蔽经常连到公共输出地(若有的话)，中间屏蔽体一般连到机壳。在样机阶段最好反复实验以找到线圈匝间屏蔽的最好的连接方式。

以上两项技术也能减小输入端上感应的次级开关噪声。适当大小的输出电感可以将次级交流波形变成半正弦波，因此可以显著地减小变压器绕组间噪声(直流纹波).

4 散热器

散热器与集电极或TO247功率器件的漏极之间有50pF的电容，因此可以产生很强的发射。仅仅直接地把散热片连到机壳，这只是把噪声引向大地，很可能不能减小总体发射水平。

较好的做法是：把它们连到一恰当的电路结点——一次整流输出端，但要注意安全要求。具有屏蔽作用的绝缘隔离片可以连接到开关管上，把它们屏蔽内层接至一次整流端，散热片要么悬浮要么连到机壳。

散热片也可以通过电容连到有危险电压的线上，电容的引线和PCB轨线构成的电感可能会与电容“谐振”，这可对解决某些特殊频率上的问题特别有效。应该在样机上多次试验，最终找到散热片的最佳安装方法。

5 整流器件

用于一次电源上的整流器和二次整流器，因为其反向电流，可以引起大量的噪声，最好使用快速软开关型号的器件。

TOP系列多路输出单端反激式开关电源设计原理

设计要求

本文设计的开关电源将作为智能仪表的电源，最大功率为10 W。为了减少PCB的数量和智能仪表的体积，要求电源尺寸尽量小并能将电源部分与仪表主控部分做在同一个PCB上。

考虑10W的功率以及小体积的因素，电路选用单端反激电路。单端反激电路的特点是：电路简单、体积小

巧且成本低。单端反激电路由输入滤波电路、脉宽调制电路、功率传递电路(由开关管和变压器组成)、输出整流滤波电路、误差检测电路(由芯片TL431及周围元件组成)及信号传递电路(由隔离光耦及电阻组成)等组成。本电源设计成表面贴装的模块电源，其具体参数要求如下：

输出最大功率：10W

输入交流电压：85～265V

输出直流电压／电流：+5V，500mA；+12V，150mA；+24V，100mA

纹波电压：≤120mV

单端反激式开关电源的控制原理

所谓单端是指TOPSwitch-II系列器件只有一个脉冲调制信号功率输出端一漏极D。反激式则指当功率MOSFET导通时，就将电能储存在高频变压器的初级绕组上，仅当MOSFET关断时，才向次级输送电能，由于开关频率高达100kHz，使得高频变压器能够快速存储、释放能量，经高频整流滤波后即可获得直流连续输出。这也是反激式电路的基本工作原理。而反馈回路通过控制TOPSwitch器件控制端的电流来调节占空比，以达到稳压的目的。

TOPSwitch-Ⅱ系列芯片选型及介绍

TOPSwitch-Ⅱ系列芯片的漏极(D)与内部功率开关器件MOSFET相连，外部通过负载电感与主电源相连，在启动状态下通过内部开关式高压电源提供内部偏置电流，并设有电流检测。控制极(C)用于占空比控制的误差放大器和反馈电流的输入引脚，与内部并联稳压器连接，提供正常工作时的内部偏置电流，同时也是提供旁路、自动重起和补偿功能的电容连接点。源极(S)与高压功率回路的MOSFET的源极相连，兼做初级电路的公共点与参考点。内部输出极MOSFET的占空比随控制引脚电流的增加而线性下降，控制电压的典型值为5.7 V，极限电压为9 V，控制端最大允许电流为100 mA。

在设计时还对阈值电压采取了温度补偿措施，以消除因漏源导通电阻随温度变化而引起的漏极电流变化。当芯片结温大于135℃时，过热保护电路就输出高电平，关断输出极。此时控制电压Vc进入滞后调节模式，Vc端波形也变成幅度为4.7V～5.7V的锯齿波．若要重新启动电路，需断电后再接通电路开关，或者将Vc 降至3.3V以下，再利用上电复位电路将内部触发器置零，使MOSFET恢复正常工作。

采用TOPSwitch-Ⅱ系列设计单片开关电源时所需外接元器件少，而且器件对电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计十分方便，性能稳定，性价比更高。

对于芯片的选择主要考虑输入电压和功率。由设计要求可知，输入电压为宽范围输入，输出功率不大于10W，故选择TOP222G。

电路设计

本开关电源的原理图如图1所示。

电源主电路为反激式，C1、L1、C2，接在交流电源进线端，用于滤除电网干扰，C5接在高压和地之间，用于滤除高频变压器初、次级后和电容产生的共模干扰，在国际标准中被称为"Y电容"。C1跟C5都称作安全电容，但C1专门滤除电网线之间的串模干扰，被称为"X电容"。

为承受可能从电网线窜入的电击，可在交流端并联一个标称电压u1mA为275V的压敏电阻VSR。

鉴于在功率MOSFET关断的瞬间，高频变压器的漏感产生尖峰电压UL，另外，在原边上会产生感应反向电动势UOR，二者叠加在直流输入电压上。典型的情况下，交流输入电压经整流桥整流后，其最高电压UImax=380V，UL≈165V，UOR=135V，贝UOR+UL+UOR≈680V。这就要求功率MOSFET至少能承受700V的高压，同时还必须在漏极增加钳位电路，用以吸收尖峰电压，保护TOP222G中的功率MOSFET。本电源的钳位电路由D2、D3组成。其中D2为瞬态电压抑制器(TVS)P6KE200，D3为超快恢复二极管UF4005。当MOSFET导通时，原边电压上端为正，下端为负，使得D3截止，钳位电路不起作用。在MOSFET截止瞬间，原边电压变为下端为正，上端为负，此时D1导通，电压被限制在200V左右。

本文介绍了一种基于TOPSwith系列芯片设计的小功率多路输出AC/DC开关电源的原理及设计方法。

设计要求

本文设计的开关电源将作为智能仪表的电源，最大功率为10 W。为了减少PCB的数量和智能仪表的体积，要求电源尺寸尽量小并能将电源部分与仪表主控部分做在同一个PCB上。

考虑10W的功率以及小体积的因素，电路选用单端反激电路。单端反激电路的特点是：电路简单、体积小巧且成本低。单端反激电路由输入滤波电路、脉宽调制电路、功率传递电路(由开关管和变压器组成)、输出整流滤波电路、误差检测电路(由芯片TL431及周围元件组成)及信号传递电路(由隔离光耦及电阻组成)等组成。本电源设计成表面贴装的模块电源，其具体参数要求如下：

输出最大功率：10W

输入交流电压：85～265V

输出直流电压／电流：+5V，500mA；+12V，150mA；+24V，100mA

纹波电压：≤120mV

单端反激式开关电源的控制原理

所谓单端是指TOPSwitch-II系列器件只有一个脉冲调制信号功率输出端一漏极D。反激式则指当功率MOSFET导通时，就将电能储存在高频变压器的初级绕组上，仅当MOSFET关断时，才向次级输送电能，由于开关频率高达100kHz，使得高频变压器能够快速存储、释放能量，经高频整流滤波后即可获得直流连续输出。这也是反激式电路的基本工作原理。而反馈回路通过控制TOPSwitch器件控制端的电流来调节占空比，以达到稳压的目的。

TOPSwitch-Ⅱ系列芯片选型及介绍

TOPSwitch-Ⅱ系列芯片的漏极(D)与内部功率开关器件MOSFET相连，外部通过负载电感与主电源相连，在启动状态下通过内部开关式高压电源提供内部偏置电流，并设有电流检测。控制极(C)用于占空比控制的误差放大器和反馈电流的输入引脚，与内部并联稳压器连接，提供正常工作时的内部偏置电流，同时也是提供旁路、自动重起和补偿功能的电容连接点。源极(S)与高压功率回路的MOSFET的源极相连，兼做初级电路的公共点与参考点。内部输出极MOSFET的占空比随控制引脚电流的增加而线性下降，控制电压的典型值为5.7 V，极限电压为9 V，控制端最大允许电流为100 mA。

在设计时还对阈值电压采取了温度补偿措施，以消除因漏源导通电阻随温度变化而引起的漏极电流变化。当芯片结温大于135℃时，过热保护电路就输出高电平，关断输出极。此时控制电压Vc进入滞后调节模式，Vc端波形也变成幅度为4.7V～5.7V的锯齿波．若要重新启动电路，需断电后再接通电路开关，或者将Vc 降至3.3V以下，再利用上电复位电路将内部触发器置零，使MOSFET恢复正常工作。

采用TOPSwitch-Ⅱ系列设计单片开关电源时所需外接元器件少，而且器件对电路板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计十分方便，性能稳定，性价比更高。

对于芯片的选择主要考虑输入电压和功率。由设计要求可知，输入电压为宽范围输入，输出功率不大于10W，故选择TOP222G。

电路设计

本开关电源的原理图如图1所示。

电源主电路为反激式，C1、L1、C2，接在交流电源进线端，用于滤除电网干扰，C5接在高压和地之间，用于滤除高频变压器初、次级后和电容产生的共模干扰，在国际标准中被称为"Y电容"。C1跟C5都称作安全电容，但C1专门滤除电网线之间的串模干扰，被称为"X电容"。

为承受可能从电网线窜入的电击，可在交流端并联一个标称电压u1mA为275V的压敏电阻VSR。

鉴于在功率MOSFET关断的瞬间，高频变压器的漏感产生尖峰电压UL，另外，在原边上会产生感应反向电动势UOR，二者叠加在直流输入电压上。典型的情况下，交流输入电压经整流桥整流后，其最高电压UImax=380V，UL≈165V，UOR=135V，贝UO R+UL+UOR≈680V。这就要求功率MOSFET至少能承受700V的高压，同时还必须在漏极增加钳位电路，用以吸收尖峰电压，保护TOP222G中的功率MOSFET。本电源的钳位电路由D2、D3组成。其中D2为瞬态电压抑制器(TVS)P6KE200，D3为超快恢复二极管UF4005。当MOSFET导通时，原边电压上端为正，下端为负，使得D3截止，钳位电路不起作用。在MOSFET截止瞬间，原边电压变为下端为正，上端为负，此时D1导通，电压被限制在200V左右。

初级峰值电流IP为：

其中，KRP为初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值，当电压为宽范围输入时，可取0.9。将Dmax=64.3％代入得，IP=0.518A。

确定初级绕组电感LP

其中，损耗分配系数Z=0.5，IP=0.518A，KRP=0.4，PO=10W，代入得：LP≈1265μH。

确定绕组绕制方法

并计算各绕组的匝数

初级绕组的匝数NP可以通过下式计算：

其中，磁芯截面积SJ=0.41cm2，磁芯最大磁通密度BM=60，IP=0.518A，LP≈1265μH，代入可得NP=26.6，实取30匝。

次级绕组采用堆叠式绕法，这也是变压器生产厂家经常采用的方法，其特点是由5V绕组给12V绕组提供部分匝数，而24V绕组中则包含了5V、12V的绕组和新增加的匝数。堆叠式绕法技术先进，不仅可以节省导线，减小线圈体积，还可以增加绕组之间的互感量，加强耦合程度。以本电源为例，当5V输出满载而12V和24V 输出轻载时，由于5V绕组兼作12V、24V绕组的一部分，因此能减小这些绕组的漏感，可以避免因漏感使12V、24V输出电路中的滤波电容被尖峰电压充电到峰值，即产生所谓的峰值充电效应，从而引起输出电压不稳定。这里将5V绕组作为次级的始端。

对于多输出高频变压器，各输出绕组的匝数可以取相同的每伏匝数。每伏匝数nO可以由下式确定：

其单位是匝／VO将NS取5匝，UO1=5V，UF1=0.4V(肖特基整流管导通压降)代入上式得到nO=0.925匝／V。

对于24V输出，已知UO2=24V，UF2=0.4V，则该路输出绕组匝数为NS2=0.925 匝／V×(24V十0.4V)=22.57匝，实取22匝。

对于12V输出，已知UO3=12V，UF2=0.4V，则该路输出绕组匝数为NS2=0.925匝／V ×(12V+0.4V)=11.47匝，实取11匝。

对于反馈绕组，已知UF=12V，UF3=0.7V(硅快速恢复整流二极管导通压降)，则该路输出绕组匝数为NS2=0.925匝／V×(12V+0.4V)=11.47匝，实取11匝。

确定初／次级导线的内径

首先根据初级层数d、骨架宽度b和安全边距M，利用下式计算有效骨架宽度bE(单位是mm)：

bE=d(b-2M) (7)

将d=2，b=8.43mm，M=0代入上式可得bE=16.86mm。

利用下式计算初级导线的外径(带绝缘层)DPM：

DPM=bE／NP (8)

将bE=16.86mm，NP=78匝代人得DPM=0.31mm，扣除漆皮厚度，裸导线内径DPM=0.26mm。与直径0.26mm接近的公制线规为0.28mm，比0.26mm略粗完全可以满足要求，而0.25mm的公制线规稍细，不宜选用。而次级绕组选用与初级相同的导线，根据电流的大小，采用多股并绕的方法绕制。

试验数据

该开关电源的输人特性数据见表1，在u=85～245V的宽范围内变化时，主路输出UO1=5V(负载为65Ω)的电压调整率SV=±0.2％，输出纹波电压最大值约为67mV；辅助输出UO2=24V(负载为250Ω)，输出纹波电压最大值约为98mV；辅助输出UO3=12V(负载为100Q)，输出纹波电压最大值约为84mV。

低成本隔离式3.3V到5V DC/DC转换器的分立设计

隔离式 3.3V 到 5V 转换器通常用于远距离数据传输网络，这种网络中总线节点控制器由一个 3.3V 电源工作以节省电量，而总线电压为 5V，以保证在远距离传输过程中的信号完整性并提供高驱动能力。尽管市场上已经有了 3.3V 到 5V 转换的隔离式 DC/DC 转换器组件，但集成的 3.3V 到 5V 转换器仍然很难找到。即使找到，这些特定的转换器（特别是那些具有稳定输出的转换器）通常都有较长的产品交付时间、价格相对昂贵并且一般都有一定的隔离电压限制。

如果应用要求 2 kV 以上的隔离电压、60% 以上的转换器效率或者标准组件可靠的有效性，那么分立设计就是一种能够替代集成组件的低成本方案。分立 DC/DC 转换器设计的缺点是需要做大量的工作——选择稳定的振荡器结构和先断后通电路，选择可以通过标准逻辑门有效驱动的MOSFET，适宜实施温度和长期可靠性测试。所有这些努力都要花费时间和资金。因此，在仓促进行这样一个计划以前，设计人员应该考虑到下列事项：集成组件通常已通过温度测试，并且拥有其他工业资质。这些组件不仅仅是最可靠的解决方案，而且还拥有较快的上市时间。

不稳定输出转换器每 1000 片的起售定价一般为 4.50 到 5.00 美元，而稳定输出的转换器通常为此价格的两倍，大约为 10.00 美元或更高。因此，合理的做法是购买具有不稳定输出的转换器，或者利用降压电容对输出进行缓冲，或者将其送入低成本、低压降稳压器 (LDO)，例如：TI 的 TPS76650。

图 1 所示的分立 DC/DC 转换器设计仅使用了一些现有的标准组件（例如：逻辑 IC 和 MOSFET 等），服务于变压器驱动器，以及一个用于稳定输出电压的LDO。该电路使用许多通孔组件制成样机，从而使其比集成组件的体积要大，但是由于使用TI的Little Logic?器件，板空间得到了极大缩减。

这种设计的主要好处是较少的材料清单 (BOM)，以及为 1 到 6kV 范围隔离电压选择隔离变压器的自由度。我们的目标是：通过使变压器驱动器级为稳定输出全集成 DC/DC 转换器和独立变压器驱动器提供一款低成本的替代方案。

图 1 隔离式 3.3V 到5V 推拉式转换器

工作原理低成本、隔离式 DC/DC 转换器一般为推挽式驱动器类型。工作原理非常简单。带推挽输出级的方波振荡器驱动一个中心抽头变压器，其输出经过整流，可以稳定或非稳定 DC 形式使用。一个重要的功能性要求是方波必须具有 50% 占空比，以确保变压器铁心对称磁化。另一个要求是磁化电压 (E) 和磁化时间 (T) 的乘积（称作 ET 乘积，单位为 Vμs），不得超出由其厂商规定的变压器典型 ET乘积。我们还必须紧挨振荡器安装使用先断后通电路，以防止推挽输出级的两个变压器铁芯柱同时导电从而引起电路故障。

分立设计著名的三反相门振荡器由 U1a、U2a 和 U2b 组成，选择它是因为它在供电波动方面较为稳定。通过一个 100-pF 陶瓷电容器（C OSC）和两个 10-kΩ电阻器（R OSC1和 R OSC2），它的正常频率被设定为 330kHz。在 3.0-V 到 3.6-V 电源电压波动范围内，振荡器拥有接近 50% 的占空比，以及低于±1.5% 的最大频率波动。图 2 显示了 R OSC1 和 R OSC2(TP1) 相加点和振荡器输出 (TP2) 处的波形。所有电压均为参考电路基准电压测得。

图 2 TP1 和 TP2 的振荡器波形

施密特触发电路 NAND 栅极（U1c、U1d）实现先断后通功能，以避免 MOSFET 导通阶段交叠。其他两个NAND 门（U2c，U2d）配置为反相缓冲器，从而产生驱动 N 通道 MOSFET（Q1、Q2）必需的正确信号极性。图 3 显示了完整的先断后通动作。为了适应标准逻辑门的有限驱动能力，我们选择了 MOSFET，因为其较低的总电荷和较短的响应时间。

图 3 先断后通波形