单端反激式开关电源磁芯尺寸和类型地选择.docx
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单端反激式开关电源磁芯尺寸和类型地选择
单端反激式开关电源磁芯尺寸和类型的选择
单端反激式开关电源磁芯尺寸和类型的选择
A、InternationalRectifier公司--56KHz
输出功率推荐磁芯型号
0---10WEFD15
SEF16
EF16
EPC17
EE19
EF(D)20
EPC25
EF(D)25
10-20WEE19
EPC19
EF(D)20
EE,EI22
EF(D)25
EPC25
20-30WEI25
EF(D)25
EPC25
EPC30
EF(D)30
ETD29
EER28(L)
30-50WEI28
EER28(L)
ETD29
EF(D)30
EER35
50-70WEER28L
ETD34
EER35
ETD39
70-100WETD34
EER35
ETD39
EER40
E21
摘自InternationalRectifier,AN1018-“应用IRIS40xx系列单片集成开关IC开关电源的反激式变压器设计”
B、ELYTONE公司---100KH
型号输出功率(W)
<55-1010-2020-5050-100100-200200-500500-1K
EIEI12.5EI16EI19EI25EI40EI50EI60--
EEEE13EE16EE19EE25EE40EE42EE55EE65
EFEF12.6EF16EF20EF25EF30EF32----
EFD--EFD12EFD15EFD20EFD25EFD30----
EPC--EPC13EPC17EPC19EPC25EPC30----
EEREER9.5EER11EER14.5EER28EER35EER42EER49--
ETD----ETD29ETD34ETD44ETD49ETD54--
EPEP10EP13EP17EP20--------
RMRM4RM5RM6RM10RM12RM14----
POTPOT1107POT1408POT1811POT2213POT3019POT3622POT4229--
PQ------PQ2016PQ2625PQ3230PQ3535PQ4040
EC----------EC35EC41EC70
摘自PowerTransformersOFF-LINESwitchMode
APPLICATIONNOTES
"ConvertercircuitasafunctionofS.M.P.S.outputvoltage(Vo)andoutputpower(Po)"
C、FairchildSemiconductor公司--67KHz
OutputPowerEIcoreEEcoreEPCcoreEERcore
0-10WEI12.5EE8EPC10
EI16EE10EPC13
EI19EE13EPC17
EE16
10-20WEI22EE19EPC19
20-30WEI25EE22EPC25EER25.5
30-50WEI28EE25EPC30EER28
EI30
50-70WEI35EE30EER28L
70-100WEI40EE35EER35
100-150WEI50EE40EER40
EER42
150-200WEI60EE50EER49
EE60
ThecorequickselectiontableForuniversalinputrange,fs=67kHzand12Vsingleoutput
摘自:
ApplicationNoteAN4140
TransformerDesignConsiderationforoff-lineFlybackTMConvertersusingFairchildPowerSwitch(FPS)
D、单端反激式变压器磁芯的选择公式
Ve=5555*P/f
式中:
Ve——为磁芯的体积:
Ve=Ae*Le;单位为:
毫米立方;
P——为输入功率;单位为:
瓦;
f——为开关频率;单位为:
千赫兹;
本公式假设:
Bm=0.3T,Lg/Le=0.5%=气隙长度/磁芯等效长度;
如果Lg/Le=气隙长度/磁芯等效长度=1%时,又如何计算呢?
(请考虑)
输出功率、磁芯截面积和开关频率决定气隙,因为在反激式开关电源中气隙的体积大小决定储能的多少,频率决定能量传输的快慢;
如:
EI25Ve=2050mm³,Ae=42平方毫米,Le=49.4mm;f=40KHz;η=0.75;
Lg=0.005*49.4=0.247mm---气隙长度
Pin=Ve*F/5555=2050*40/5555=14.76W;
Pout=η*Pin=0.75*14.76=11.07W;
若:
f=100KHz则:
Pout=11.07W*(100/40)=27.675W;
反激式开关电源设计的思考一
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3
反激式开关电源设计的思考一
王佰营 徐丽红
对一般变压器而言,原边绕组的电流由两部分组成,一部分是负载电流分量,它的大小与副边负载有关;当副边电流加大时,原边负载电流分量也增加,以抵消副边电流的作用。
另一部分是励磁电流分量,主要产生主磁通,在空载运行和负载运行时,该励磁分量均不变化。
励磁电流分量就如同抽水泵中必须保持有适量的水一样,若抽水泵中无水,它就无法产生真空效应,大气压就无法将水压上来,水泵就无法正常工作;只有给水泵中加适量的水,让水泵排空,才可正常抽水。
在整个抽水过程中,水泵中保持的水量又是不变的。
这就是,励磁电流在变压器中必须存在,并且在整个工作过程中保持恒定。
正激式变压器和上述基本一样,初级绕组的电流也由励磁电流和负载电流两部分组成;在初级绕组有电流的同时,次级绕组也有电流,初级负载电流分量去平衡次级电流,激励电流分量会使磁芯沿磁滞回线移动。
而初次级负载安匝数相互抵消,它们不会使磁芯沿磁滞回线来回移动,而励磁电流占初级总电流很小一部分,一般不大于总电流10%,因此不会造成磁芯饱和。
反激式变换器和以上所述大不相同,反激式变换器工作过程分两步:
第一:
开关管导通,母线通过初级绕组将电能转换为磁能存储起来;
第二:
开关管关断,存储的磁能通过次级绕组给电容充电,同时给负载供电。
可见,反激式变换器开关管导通时,次级绕组均没构成回路,整个变压器如同仅有一个初级绕组的带磁芯的电感器一样,此时仅有初级电流,转换器没有次级安匝数去抵消它。
初级的全部电流用于磁芯沿磁滞回线移动,实现电能向磁能的转换;这种情况极易使磁芯饱和。
磁芯饱和时,很短的时间内极易使开关管损坏。
因为当磁芯饱和时,磁感应强度基本不变,dB/dt近似为零,根据电磁感应定律,将不会产生自感电动势去抵消母线电压,初级绕组线圈的电阻很小,这样母线电压将几乎全部加在开关管上,开关管会瞬时损坏。
由上边分析可知,反激式开关电源的设计,在保证输出功率的前提下,首要解决的是磁芯饱和问题。
如何解决磁芯饱和问题?
磁场能量存于何处?
将在下一篇文章:
反激式开关电源变压器设计的思考二中讨论。
反激式开关电源设计的思考二---气隙的作用
王佰营 徐丽红
“反激式开关电源设计的思考一”文中,分析了反激式变换器的特殊性防止磁
芯和的重要性,那么如何防止磁芯的饱和呢?
大家知道增加气隙可在相同ΔB的
情况下,ΔIW的变化范围扩大许多,为什么气隙有此作用呢?
由全电流定律可知:
由上例可知,同一个磁芯在电流不变的条件下,仅增加1mm气隙,加气隙的磁
感强度仅为不加气隙的磁感应强度的4.8%,看来效果相当明显。
加了气隙后,是否会影响输出功率呢?
换句话说,加了气隙变压器还能否储
原来那些能量呀?
看一下下面的例子就知道了:
在“思考一”一文中已讨论过,当开关管导通时,次级绕组均不构成回路,此
时,变压器象是仅有一个初级绕组带磁芯的电感器一样,母线将次级需要的全部
能量都存在这个电感器里。
如下图1就是一个有气隙的电感器:
图1表示一个磁芯长为lm,气隙长为lg,截面积为Ae的磁芯,在其上绕N匝线圈,
当输入电压为Ui时,输入功率为Wi:
6式右边的积分为图2中阴影部分面积A,即就是说:
磁场能量的大小等于磁化曲线b和纵轴所围成的面积大小。
图1中,假定磁路
各部分的面积相等,磁芯各部分的磁场强度为Hm,气隙部分的磁场强度为Hg,由
全电流定律得:
11式右边第一项是磁芯中的磁场能量,第二项是气隙部分的磁场能量,分别用
Wi和Wg表示;那么:
图3中,曲线m表示图1电感器无气隙时的磁化曲线,曲线g表示有气隙时的磁
化曲线。
图中,面积Am表示储存在磁芯部分的磁场能量;面积Ag表示储存在气隙
部分的磁场能量。
上面讲了气隙的作用以及磁场能量在变压器中的分布,那么,
根据输出功率如何选用磁芯呢?
将在反激式开关电源设计思考三中讨论。
反激式开关电源设计的思考三---磁芯的选取
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2
反激式开关电源设计的思考三(磁芯的选取)
王佰营 徐丽红
在DCM状态下选择:
Uin-电源输入直流电压
Uinmin-电源输入直流电压最小值
D-占空比
Np-初级绕组匝数
Lp-初级绕组电感量
Ae-磁芯有效面积
Ip-初级峰值电流
f-开关频率
Ton-开关管导通时间
I-初级绕组电流有效值
η-开关电源效率
J-电流密度
通过(3)式可方便计算出反激式开关电源在电流断续模式
时磁芯的AeAw值,通过查厂商提供的磁芯参数表就可选择
合适的磁芯,在选择磁芯时要留一定的余量。
例如:
有一反激式开关电源输出功率为10W,开关频率为
40KHz,ΔB为0.16T,电流密度取4.5A/mm2磁芯选用EE系列,
那么由公式(3)可知:
考虑到实际绕线的绝缘层等的影响,须考虑填充系数(取0.8),
即:
Ap=AeAw/0.8=1.736×1000/0.8=2207.5
通过上面计算,EE19磁芯比较接近,考虑到辅助绕组和
其他因素选择EE20磁芯。
为计算方便,(3)式可修正为:
Ap=AwAe=6500×P0/(△B×J×f)(4)
单位:
P0-----瓦特;
△B----特斯拉
J------ 安培/平方毫米
f------ 千赫兹
Ap------ 毫米的四次方
在实际使用中一定要注意公式的应用条件,公式(4)是在
单端反激式开关电源电流断续模式下推导出来的,并且用
了一系列假设:
1.窗口使用系数SF:
0.4
2.初级绕组面积Ap=次级绕组面积As
3.当直流输入电压最低时Dm=0.5
4.电源效率η=0.8
5.填充系数为0.8
因此,该计算值在使用中要根据实际情况酌情修正,并且作
为我们选择磁芯的一个大致参考,由于工艺的原因必须通过
实践验证而最终确定。
另外单端反激式开关电源中,他激式和自激式的效率差别
比较大,一般自激式的效率比较低,大概在0.7左右,使用
公式(4)时要乘以(0.8/0.7=)1.15进行修正。
磁芯选好后,在反激式开关电源设计过程中应该遵循的规则
将在反激式开关电源设计的思考四中讨论。
反激式开关电源设计的思考四-反激式开关电源设计应遵循的规则
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10
反激式开关电源设计的思考四
-反激式开关电源设计应遵循的规则
王佰营 徐丽红
()
由于反激式开关电源的特殊性,在设计时要特别考虑的问
题就多一些,归纳起来有如下几点:
一、任何时刻开关管上所承受的电压都要低于它所能够承受
的最大电压,并且要有足够的安全裕量;
以此为出发点,就确定了变压器的变化;
Ucemax=Uinmax+N·Uo+Upk+Uy
式中:
Ucemax-开关管所能承受的最大电压
N-变比初级匝数Np/次级匝数Ns
Uin-直流输入电压最大值
Uo-输出电压
Upk-漏感所产生的电压
Uy-电压裕量
此式很重要一点,就是确定了变比N,变比一确定一系列
问题就确定下来;比如:
反射电压:
VoR =N·Vo;
占空比:
D = VoR/(Vin+VoR);
导通时间:
Ton= D·T
变比一定要选择合适,以使电路达到优化;若使用双极型
晶体管对其基电极的控制很重要,因为它影响着Vcemax的
大小:
Vces>Vcer>Vceo;在ce间承受最高电压时最好保证
be结短接或者反偏,此时晶体管就可承受较高的反偏电压.
二、任何时刻都应保证磁芯不饱和;
由于反激式开关变压器的特殊性,磁芯饱和问题在反激式
变换器的设计中尤为重要。
一旦磁芯饱和,开关管瞬间就
会损坏。
为防止磁芯饱和反激式开关变压器磁芯一般都留
气隙,显著扩大磁场强度的范围,但仅靠气隙并不能完全
解决磁芯饱和的问题,由磁感应定律很容易得出:
由
(1)式知:
磁感应强度与输入电压和导通时间有关。
在输入 电压一
定时,由反馈电路保证Ton的合适值。
在工作过程中,根据磁饱和的形式分两种情况:
一种是:
一次性饱和:
当反馈环路突然失控时,在一个周期内导通一直 持续,
直到过大的Ip使磁芯饱和而使开关管立即 损坏;
另一种是:
逐次积累式饱和:
磁芯每个周期都有置位与复位动作,反激式开关 电源磁
芯置位是由初级绕组来实现,磁芯复位是由 次级绕组和
输出电路来实现。
当电路等设计不当时, 每次磁芯不能
完全复位,一次次的积累,在若干周期内磁芯饱和。
就像
吹气不一样,一口气吹破就相当磁芯一次性饱和;每吹一
次,就排气,但每次排气量都比进气量少一点,这样循环
几次后,气球就会被撑破的;若每次充排气量相同,气球
就不会破的,磁芯也是如此,如下图:
磁芯从a→b→c为置位,从c→d→a为复位,每个周期都要
回到a,磁芯就不会饱和。
对于反激式开关电源的断续模
式,磁芯复位一般是不成问题的。
三、始终保持变换器工作于一个模式如CCM或DCM;不要在两
个模式之间转换,这两种模式不同,对反馈回路的调节
电路要求也不同,在考虑某一种模式而设计的调节电路,
如运行到另一模式时易引起不稳定或者性能下降。
四、保证最小导通时间不接近双极性开关管的存储时间;(
MOSFET管例外)
在设计反激式开关电源时,特别在开关电源 频率较高
、直流输入电压最高,负载又较轻 时,开关导通时间
Ton最小,若这个时间接近或小于双极性晶体管的存储时
间(0.5μs~1.0μs)时,极易造成开关管失控,而使磁
芯饱和。
此时就要重新审视开关频率的选择,或能否工作
于如此高电压或者通过调节占空比来适应。
或者选用其
他电路拓扑。
五、不要将变换器的重要元件的参数选得接近分布参数;具
体来说,电阻不要太大,电容器和电感器不要太小。
(1)许多反激式开关电源都有一个振荡频率,由IC芯片提供
,如UC3842,由RC决定,当把R选择太大,C太小时,就
易使稳定性特别差;如电容C小得接近分布参数,也就是
说取掉该电容由线路板及其它元件间的分布参数而形成
的容值都和所选的电容容值差不多;或者所选电阻太大以
至于线路板上的漏电流所等效的阻值都和所选的电阻大小
差不多;这将造成工作不稳定,如温度或湿度变化时其
分布参数也跟着变 化,严重影响振荡的稳定性。
R一般
不要大于1M欧,C一般不 要小于22PF。
(2)反激式开关电源的输出功率如下式:
(DCM)
注意:
由于笔误,应为:
U2=U*U,D2=D*D
由
(2)式可知:
在电流断续模式时,当电压和频率固定的情况下,输出功
率和变压器的初级电感成反比。
即要增加功率就要减小初
级绕组的电感量。
反激式开关变压器的特殊性:
当开关管
导通时变压器相当于仅有初级绕组的一个带磁芯的电感器
,当这个电感器小到一定值时就不可太小了,当小至和分
布电感值差不多时,这样变压器的参数就没有一致性,工
作稳定性差,可能分布参数的变化都会使整个电感值变化
一少半,电路的可靠性就无从谈起。
初级电感值至少应是
分布电感的10倍以上。
(3)同样道理,磁芯的气隙也不可选的太少,太小的话,磁
芯稍微的变动(如热胀冷缩)对气隙来说都显得占的比例
很大,这样的变压器就无一致性可言,更无法批量生产。
六、反激式变换器的输出滤波电容比起其它拓扑形式的电路
所受的冲击更大,它的选择好坏对整个电源的性能及寿命
有举足轻重的作用。
选择时,一般是按纹波电压要求初
选电容值,用电容的额定纹波电流确定电容值,这样比
较安全稳妥。
当然,耐压值和温度等级也要足够。
七、降低损耗,遏制温升,提高效率,延长寿命
开关电源内部的损耗主要分四个方面:
(1)开关损耗 如:
功率开关,驱动;
(2)导通损耗 如:
输出整流器,电解电容中电阻损耗;
(3)附加损耗 如:
控制IC,反馈电路,启动电路,驱动电
路;
(4)电阻损耗 如:
预加负载等;
在反激式开关电源中,功率开关和驱动以及输出整流部
分占损耗的90%多,磁性元件占5%,其它占5%;损耗
直接影响效率,更影响电源的稳定性和工作寿命。
损耗
都以发热而表现出来,晶体管和电容和磁性元件都对温
度很敏感;下面看一下温度的影响:
(1)温度每升高10℃,电解电容的寿命就会减半
(2)在高温和反向电压接近额定值时,肖特基二极管的漏电
很严重,就像阴阳极通路一样;
(3)通用磁性材料,从25℃到100℃饱和磁感应强度下降30%
左右;在这里,磁性材料的损耗虽然说占比例很小但是它
对整个开关电源的影响非常大。
比如在正常工作时,设计
的最大磁通密度偏大,由于温升的原因将使饱和磁感应强
度下降,再加上反馈回路的延迟效应而使导通时间加长,
极易使磁芯饱和,瞬间开关管损坏。
在此设计时,最好保
证铜耗接近于磁耗,初级绕组的铜耗接近于次级绕组的铜
耗以达到最优化的设计防止磁芯过渡温升。
(4)MOSFET管,每升高25℃,栅极阀值电压下降5%;MOSFET
管的最大节点温度时150℃,节点温度的理想值为105℃,
最高不要超过125℃;MOSFET管,Rds随温度的升高而增大.
(5)双极型晶体管,随温度的升高,Vce而减小,在环境温度
较高或接近最高结温时,晶体管的实际最高耐压会有所下
降,并且漏电流会更进一步增加,很易造成热损耗。
所以
,在设计时,尽可能降低元件本身损耗而造成的温升,也
要注意远离热源,不因外界原因而造成温升。
更要优化设
计减小损耗,提高效率,延长元器件及整个电源的工作寿
命。
反激式开关电源设计的思考五-常用公式的理解
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12
反激式开关电源设计的思考五
-常用公式的理解
王佰营徐丽红
在反激式开关电源设计之前,我们必须对要用到的公式有所了解,这样不
至于造成不管公式适用条件如何,拿来就用,以致看似合理实则差之远矣。
下面将在反激式开关电源设计中常用的公式分析如下:
再讲电源设计用公式前先看一看一些基本的知识。
一、基本知识
1.磁场的产生:
磁场是由运动电荷产生的,变压器磁芯中的磁场是由绕组中的传导电流产生
,磁铁的磁场是由“分子电流”产生。
2.右手定则
右手定则用于判断通电螺线管的磁极(N极/S极,或者说磁力线的方向),
用右手握住螺线管,弯曲的四指沿电流回绕方向将拇指伸直,这时拇指指向
螺线管的N极或者磁力线的方向。
3.磁感应强度B
磁场是由运动电荷产生的,同时,运动的电荷在磁场中又会受到力的作用。
由此,人们通过在磁场中运动的电荷所受磁场力的大小来反映磁场的强弱;
让不同电量(q>0)的电荷,在垂直磁场的方向以不同的速度运动,该电荷
就会受力,虽然电荷在各点受磁场力的大小不同,但是力与电荷量以及速度
的比值在同一点却是相同的,唯一的,这个值就反映了该点磁场的强弱。
因
此:
B=F/q.v
(1)
该式的物理意义为:
磁场中某点的磁感应强度B的大小,在数值上等于单位
正电荷,以单位速度沿垂直磁场方向运动时,所受力的大小。
磁感应强度的
单位:
4.磁通量φ
磁场不仅有强弱还有方向,用磁力线能很好的表示磁感应强度的方向,磁力
线是一些围
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- 单端反激式 开关电源 尺寸 类型 选择
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