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1、反激式开关电源变压器设计2011年04月25日 来源:网络 责任编辑:wangpan 中心议题: * 反激式开关电源变压器的设计步骤解决方案: * 选定原边感应电压V * 确实原边电流波形的参数 * 选定变压器磁芯 * 计算变压器的原边匝数 * 确定次级绕组的参数,圈数和线径 反激式变压器是反激开关电源的核心,它决定了反激变换器一系列的重要参数,如占空比D,最大峰值电流,设计反激式变压器,就是要让反激式开关电源工作在一个合理的工作点上。这样可以让其的发热尽量小,对器件的磨损也尽量小。同样的芯片,同样的磁芯,若是变压器设计不合理,则整个开关电源的性能会有很大下降,如损耗会加大,最大输出功率也会有
2、下降,下面我系统的说一下我算变压器的方法。 算变压器,就是要先选定一个工作点,在这个工作点上算,这个是最苛刻的一个点,这个点就是最低的交流输入电压,对应于最大的输出功率。下面我就来算了一个输入85V到265V,输出5V,2A 的电源,开关频率是100KHZ。第一步就是选定原边感应电压VOR,这个值是由自己来设定的,这个值就决定了电源的占空比。可能朋友们不理解什么是原边感应电压,是这样的,这要从下面看起,慢慢的来,这是一个典型的单端反激式开关电源,大家再熟悉不过了,来分析一下一个工作周期,当开关管开通的时候,原边相当于一个电感,电感两端加上电压,其电流值不会突变,而线性的上升,有公式上升了的I=
3、Vs*ton/L,这三项分别是原边输入电压,开关开通时间,和原边电感量在开关管关断的时候,原边电感放电,电感电流又会下降,同样要尊守上面的公式定律,此时有下降了的=VOR*toff/L,这三项分别是原边感应电压,即放电电压,开关管关断时间,和电感量在经过一个周期后,原边电感电流的值会回到原来,不可能会变,所以,有VS*TON/L=VOR*TOFF/L,上升了的,等于下降了的,懂吗,好懂吧,上式中可以用来代替,用来代替OFF,移项可得,D=VOR/(VOR+VS)。此即是最大占空比了。比如说我设计的这个,我选定感应电压为80V,VS为90V ,则D=80/(80+90)=0.47第二步,确实原边
4、电流波形的参数。原边电流波形有三个参数,平均电流,有效值电流,峰值电流。首先要知道原边电流的波形,原边电流的波形如下图所示,画的不好,但不要笑啊。这是一个梯形波横向表示时间,纵向表示电流大小,这个波形有三个值,一是平均值,二是有效值,三是其峰值,平均值就是把这个波形的面积再除以其时间。如下面那一条横线所示,首先要确定这个值,这个值是这样算的,电流平均值=输出功率/效率*VS,因为输出功率除以效率就是输入功率,然后输入功率再除以输入电压就是输入电流,这个就是平均值电流。现在下一步就是求那个电流峰值,尖峰值是多少呢,这个我们自己还要设定一个参数,这个参数就是KRP,所谓KRP,就是指最大脉动电流和
5、峰值电流的比值,(下图分别是最大脉动电流和峰值电流)。是在0和1之间的。这个值很重要。已知了KRP,现在要解方程了,都会解方程吧,这是初一的应用题啊,我来解一下,已知这个波形一个周期的面积等于电流平均值*1,这个波形的面积等于,0.5*峰值电流*KRP*D+峰值电流*(1-KRP)*D,所以有电流平均值等于上式,解出来峰值电流=电流平均值/(1-0.5KRP)*D。比如说我这个输出是10W,设定效率是0.8.则输入的平均电流就是10/0.8*90=0.138A,我设定KRP的值是0.6而最大值=0.138/(1-0.5KRP).D=0.138/(1-0.5*0.6)*0.47=0.419A.三
6、个电流参数,就是这个电流的有效值,电流有效值和平均值是不一样的,有效值的定义还记得吗,就是说把这个电流加在一个电阻上,若是其发热和另处一个直流电流加在这个电阻上发热效果一样的话,那么这个电流的有效值就等于这个直流的电流值。所以这个电流的有效值不等于其平均值,一般比其平均值要大。而且同样的平均值,可以对应很多个有效值,若是把KRP的值选得越大,有效值就会越大,有效值还和占空比D也有关系,总之。它这个电流波形的形状是息息相关的。我就直接给出有效值的电流公式,这个公式要用积分才能推得出来,我就不推了,只要大家区分开来有效值和平均值就可以了。电流有效值=电流峰值*根号下的D*(KRP的平方/3-KRP
7、+1)如我现在这个,电流有效值=0.419*根号下0.47*(0.36/3-0.6+1)=0.20A.所以对应于相同的功率,也就是有相同的输入电流时,其有效值和这些参数是有关的,适当的调整参数,使有效值最小,发热也就最小,损耗小。这便优化了设计。第三步,开始设计变压器准备工作。已知了开关频率是100KHZ则开关周期就是10微秒了,占空比是0.47.那么TON就是4.7微秒了。记好这两个数,对下面有用。第四步,选定变压器磁芯,这个就是凭经验了,如果你不会选,就估一个,计算就行了,若是不行,可以再换一个大一点的或是小一点的,不过有的资料上有如何根据功率去选磁芯的公式或是区线图,大家不妨也可以参考一
8、下。我一般是凭经验来的。第五步,计算变压器的原边匝数,原边使用的经径。计算原边匝数的时候,要选定一个磁芯的振幅B,即这个磁芯的磁感应强度的变化区间,因为加上方波电压后,这个磁感应强度是变化的,正是因为变化,所以其才有了变压的作用,NP=VS*TON/SJ*B,这几个参数分别是原边匝数,最小输入电压,导通时间,磁芯的横节面积和磁芯振幅,一般取B的值是0.1到0.2之间,取得越小,变压器的铁损就越小,但相应变压器的体积会大些。这个公式来源于法拉弟电磁感应定律,这个定律是说,在一个铁心中,当磁通变化的时候,其会产生一个感应电压,这个感应电压=磁通的变化量/时间T再乘以匝数比,把磁通变化量换成磁感应强
9、度的变化量乘以其面积就可以推出上式来,简单吧。我的这个NP=90*4.7微秒/32平方毫米*0.15,得到88匝0.15是我选取的了值。算了匝数,再确定线径,一般来说电流越大,线越热,所以需要的导线就越粗,需要的线径由有效值来确定,而不是平均值。上面已经算得了有效值,所以就来选线,我用0.25的线就可以了,用0.25的线,其面积是0.049平方毫米,电流是0.2安,所以其电流密度是4.08,可以,一般选定电流密度是4到10安第平方毫米。记住这一点,这很重要。若是电流很大,最好采用两股或是两股以上的线并绕,因为高频电流有趋附效应,这样可以比较好。第六步,确定次级绕组的参数,圈数和线径。记得原边感
10、应电压吧,这就是一个放电电压,原边就是以这个电压放电给副边的,看上边的图,因为副边输出电压为5V,加上肖特基管的压降,就有5.6V,原边以80V的电压放电,副边以5.6V的电压放电,那么匝数是多少呢,当然其遵守变压器那个匝数和电压成正比的规律啦。所以副边匝数=NS*(UO+UF)/VOR,其中UF为肖特基管压降。如我这个副边匝数等于88*5.6/80,得6.16,整取6匝。再算副边的线径,当然也就要算出副边的有效值电流啦,副边电流的波形会画吗,我画给大家看一下吧画的不太对称,没关系,只要知道这个意思,就可以了。有突起的时间是1-D,没有突起的是D,刚好和原边相反,但其KRP 的值和原边相同的,
11、这下知道了这个波形的有效值是怎么算的了吧,哦,再提醒一句,这个峰值电流就是原边峰值电流乘以其匝数比,要比原边峰值电流大数倍哦。第七步,确定反馈绕组的参数,反馈是反激的电压,其电压是取自输出级的,所以反馈电压是稳定的,TOP 的电源电压是5.7到9V,绕上7匝,那么其电压大概是6V多,这就可以了,记得,反馈电压是反激的,其匝数比要和幅边对应?,懂什么意思吗,至于线,因为流过其的电流很小,所以就用绕原边的线绕就可以了,无严格的要求。第八步,确定电感量。记得原边的电流上升公式吗I=VS*TON/L.因为你已经从上面画出了原边电流的波形,这个I就是:峰值电流*KRP,所以L=VS.TON/峰值电流*K
12、RP,知道了吗,从此就确定了原边电感的值。第九步,验证设计,即验证一下最大磁感应强度是不是超过了磁芯的允许值,有BMAX=L*IP/SJ*NP.这个五个参数分别表示磁通最大值,原边电感量,峰值电流,原边匝数,这个公式是从电感量L的概念公式推过来的,因为L=磁链/流过电感线圈的电流,磁链等于磁通乘以其匝数,而磁通就是磁感应强度乘以其截面积,分别代入到上面,即当原边线圈流过峰值电流时,此时磁芯达到最大磁感应强度,这个磁感应强度就用以上公式计算.BMAX的值一般一要超过0.3T ,若是好的磁芯,可以大一些,若是超过了这个值,就可以增加原边匝数,或是换大的磁芯来调。总结一下:设计高频变压器,有几个参数
13、要自己设定,这几个参数就决定了开关电源的工作方式,第一是要设定最大占空比D,这个占空比是由你自己设定的感应电压VOR来确定的,再就是设定原边电流的波形,确定KRP的值,设计变压器时,还要设定其磁芯振幅B,这又是一个设定,所有这些设定,就让这个开关电源工作在你设定的方式之下了。要不断的调整,工作在一个对你来说最好的状态之下,这就是高频变压器的设计任务。总结一公式D=VOR/(VOR+VS ) (1)IAVE=P/效率*VS (2)IP=IAVE/(1-0.5KRP)*D (3)I有效值=电流峰值*根号下的D*(KRP的平方/3-KRP+1) (4)NP=VS*TON/SJ*B (5)NS=NP*(VO+VF)/VOR (6)L=VS.TON/IP.KRP (7)BMAX=L*IP/SJ.NP (8)不过总的来说,高频变压器是一个比较复杂的东西,我短短的篇幅在此也不足以说明。可能有些地方我说的不太清楚,大家就自己揣摩了。学的时候注意各个参数之间的联系,因为本来这个东西就是一个整体,多分析,多思考,想来大家就会精通。