SMPS-反激变压器设计

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1、 开关电源开关电源设计设计 反激反激变压器设计变压器设计 Flock fai liu 2012-02-23 学习除了努力，还需要方法！学习除了努力，还需要方法！ 反激反激变压器设计变压器设计Flock fai liu Flock fai liu 2 一、电流纹波率一、电流纹波率 在设计之前，先引入 SMPS 最基本也是影响最广的一个设计参数电流纹波率（KRP） 。它的设定非常重要，一旦设定好了它，几乎所有参数都已确定。它会影响功率器件 （开关管、 输出整流二极管） ， 输出滤波电容的电流应力和损耗，变压器几何尺寸。所以不了解它，就无法开展变压器的设计。 电流纹波率定义初级纹波电流（I）与电流有

2、效值（IP）的比值。即： KRP=IIP; I=VDCminTONLp; Ip=IO1n 1DMaxKRP的有效范围为 02，CCM1，DCM1，BCM2 （电感电流的三种工作模式，自参阅书籍），若将它设为 0，I必为 0，根据电感方程V=L*It 表明此时电感量为 无穷大，所以实际中不可能。 从铜损跟铁损的折中考虑、变压器的几何尺寸以及 EMI 等综合折中；根据输出功率或特性的不同，将KRP设定在 0.41 之间进行调整，低压大电流和大功率输出选择偏低；高压小电流和小功率输出选择偏大。当VINmin增加时，KRP相对应偏大。 当然任何情况下如果将KRP设定偏小，允许选择更大的磁蕊，效果是非常

3、好的。但从商业角度来说，控制成本，体积等原因，大多情况下只是空谈吧了。不过认识这一点是很有帮助的。当然有时也会有，这时可相对应偏小。 我们必须要深刻了解KRP的设定给设计结果带来的影响。设置过小，会增大变压器尺寸以及高频铜损问题，当然会减小峰值电流、功率器件、电容的损耗。CCM 模式会使输出整流二极管发热增加。然而设置过大自然与上述相反了，它还会影响EMI。 然而我们从低压时设计的CCM并不意味着它会一直工作在CCM模式。它会随着电压的升高或负载的减小，使KRP= 1后进入 DCM 模式，此时在输出整反激反激变压器设计变压器设计Flock fai liu Flock fai liu 3 流二极

4、管反向恢复之前电感电流刚好为 0，给 DIODE 提供一个很好的工作条件，但此时再次提醒，KRP越大的缺点。 需说明一点， KRP的选择只会影响峰值电流， 而不会影响平均电流和有效值。 二、二、反激式变压器设计反激式变压器设计 在反激式 SMPS 中，当最低电压输入，最大负载输出时，为最恶劣的条件。所以应从此条件下来设计变压器。 已知：输入电压(VIN),输出电压 VO ,输出功率(PO),开关频率（f） 设定：效率()，占空比（Dmax） ，电流纹波率（KRP） 1、 VDCmin= VIN 1.414 30 ( VDCmin输入直流，30 纹波电压) 2、IDC=POVDCmin(IDC初

5、级平均电流) 3、 IPK=IDC(10.5KRP)DMax(IPK初级峰值电流,当使用 PFS 时， 此值需大于 IC 过流点) 4、LP= VDCminDmaxIPKfKRP（LP最大初级电感量,） 5 5、= Z (+)自定自定公式公式 （铜损和变压器窗口面积的折中选择，以及寄生因数等原因，设定系数 Z 为 0.4-0.6，如果用 三明治绕加屏蔽或多路输出，Z 可选稍大一点） 6、NP=LPIPKBAeNP最少初级砸数， B饱和磁通密度(注 2) 7、VOR=VDCminDmax1DmaxVOR反射电压， DMax0.5（注 1） 反激反激变压器设计变压器设计Flock fai liu

6、Flock fai liu 4 8、n =VORVO+VD(VD输出 DIODE 压降，n 砸数) 9、NS=NPn(NS次级砸数) 10、NF=VCC+VD NSVO+VD（NF辅助绕组砸数, VD辅组二极管压降） 11、VOR=NP(VO+VD)NS; Dmax=VORVOR+VDCmin（验证Dmax） 12、IS=IO1D (IS次级电流有效值) 13、IP=ISn(IP初级电流有效值) 14、dS= IS 43.14J dS次级线径,J 电流密度(注 3) 15、dP= IP 43.14J dP初级线径(注 4) 16、dF：VCC电流不大，没有特殊要求。 17、Awr=ACKF A

7、wr所需面积（注 5） ，AC导线面积，KF填充因子(注 6) 18、g = 40 3.14 AeNP2LP1031AL (g 气隙长度, AL无气隙时，每砸对应的感量，可查磁蕊参数表得) 19、 B =LPIPKNPAe（磁蕊饱和验证） 反激反激变压器设计变压器设计Flock fai liu Flock fai liu 5 如果想VINMax,POMax仍在 CCM 模式,下计算结果需为负。 VCCM= (12 LP f PIN1 VOR)1 注 1：设置DMax0.5，当大于 0.5 时有可能会引起次谐波振荡。当然也有例外，PI 的 TOP 系列允许占空比超过 50% 注 2： B对于铁氧

8、本而言，在 100时通常为 0.4T（如图 1） ，需留足够裕量，通常设为 0.3T 或更小，具体按产品的使用环境而定。 注 3：当导线超过 1m 时，J 通常选 4-6A/mm2,当然如果较短时也可选择 6-10A/mm2。 注 4：d 的选择除需考虑电流应力和温升外，还需考虑集肤效应不同频率下，电流穿透导 线的深度（如图 2） ，线径不够时，可采用多股并绕 注 5：Awr应大于Aw，Aw可在磁蕊参数表中查得。 注 6：KF单路 OUT 通常取 0.2-0.25，多路取 0.15-0.2 变压器变压器的的二种绕法：顺绕和三明治绕法二种绕法：顺绕和三明治绕法。 1、顺绕排序：初级、次级、VCC

9、。漏感大约为感量的 5% 2、三明治绕法排序：初级若干（通常为 1/2 左右） 、次级、初级另一半、VCC；VCC 也可绕在次级后；（当输出重载时， 由于漏感和铜损问题， 会使 VCC 电压升高，然而将 VCC 绕在最外层，与初级接触较远，从而增大了漏感，所以相比绕在次级后电压上升度要好很多，这就是绕在外层的优点。另一个 VCC 居中密绕是为了减小接触面，从而增加漏感；然而绕在次级后理论上 EMI 会略好些） 。三明治绕法的特点漏感小，大约为感量的 1%-3%；但由于初次级间有两个接触面，从而增加了分布电容，为共模电流提供通路，影响 EMI，因此需加屏蔽。 如果为节约成本，小功率的可用顺绕，当

10、功率稍大就得用三明治了，因为功率大了，漏感相当可观。 反激反激变压器设计变压器设计Flock fai liu Flock fai liu 6 ( (图图 1 1) ) （图 2） 反激反激变压器设计变压器设计Flock fai liu Flock fai liu 7 设计实例设计实例 1 1 已知： VIN= 85 265V， VO= 5V， PO= 10W，f = 65KHZ 设定： = 72%， Dmax= 0.45， KRP= 0.75 1、VDCmin= 85 1.414 30 = 90V 2、IDC=100.7290= 0.155A 3、IPK=0.15510.50.75 0.45=

11、 0.551A 4、LP= 900.450.551650.75= 1.508mH 因此选择 1.4mH5% 5、Ve= 0.4 (2+0.75)20.7513.8965= 0.862cm3 (查表得 EE19：Ve =0.9cm3) 6、NP=15080.5510.323= 120.4T （查表得 EE19：Ve=23） 7、VOR=900.4510.45= 73.64V 8、n =73.645+0.8= 12.7 (先选择 DIODE，再查该 DIODE 压降为多少，代入式中) 9、NS=120.412.92= 9.48T 取:10T;因此NP= 127T 10、NF=12+1 105+0.

12、8= 22.4T 取：23T （假设此蕊片 VCC 是 12V） 11、VOR=127(5+0.8)10= 73.66 ; Dmax=73.6673.66+90= 0.45 反激反激变压器设计变压器设计Flock fai liu Flock fai liu 8 12、IS=210.45= 3.637A ； dS= 3.637 43.146= 1.676mm 13、IP=3.63712.7= 0.287A ； dP= 0.287 43.144= 0.162mm 从图 2 中可以看出，f 为 65KHZ 时的电流穿透深度为 23mil,1mm=39.37mil,因此穿透深度为 0.584mm， 因

13、此dS可选择 3 股 0.51 的导线三线并绕， 略低于计算值是可以接受的；也可以选择 4 股 0.41 线四线并绕。另外经验用 EE19 做 10W，初级绕 120T 为最佳值，铜损跟铁损做到很好的折中，所以如果有这种经验的话可以先确定 120T，再来算感量，全部倒过来算。那么没有经验的话算出来的变压器需要调，直到调到满意为止，不过别忘了验证磁蕊饱和。 变压器设计完成， 后面几个公式可以不用了， 但掌握还是需要的。 上述KRP的取值较大，再举例需取小的情况。 四、四、设计实例设计实例 2 2 已知： VIN= 85 265V， VO= 12V， PO= 60W，f = 65KHZ 设定： =

14、 80%， Dmax= 0.45， KRP= 0.5 1、VDCmin= 85 1.414 30 = 90V 2、IDC=600.890= 0.834A 3、IPK=0.83410.50.5 0.45= 2.472A 反激反激变压器设计变压器设计Flock fai liu Flock fai liu 9 4、LP= 900.452.472650.5= 0.54mH 因此选择 490UH10% 5、Ve= 0.4 (2+0.5)20.57565= 5.77cm3 (查表得 EE30：Ve =6.31cm3) 6、NP=5402.4720.3109= 40.83T （查表得 EE30：Ve=109

15、） 7、VOR=900.4510.45= 73.64V 8、n =73.6412+1= 5.665 9、NS=40.835.665= 7.2T 取:7T; NP= 41T； (NP不可减少) 10、NF=12+1 712+1= 7T （假设此蕊片 VCC 是 12V） 11、VOR=41(12+1)7= 76.143 ; Dmax=76.14376.143+90= 0.46 12、IS=510.46= 9.26A ； dS= 9.26 43.1410= 3.3mm 13、IP=9.265.857= 1.581A ； dP= 1.581 43.147= 0.674mm dS：0.55*6 ； dP= 0.35 2 设计准备资料：磁蕊参数表，导