90W PC电源设计.docx

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90WPC电源设计

90WPC电源变压器的设计

1、电源参数

PC电源为4路输出，分别为+5V，+12V，+3.3V和-12V。

电路图如下：

电路拓扑为单端正激。

+5V和+12V为交流叠加。

+3.3V由+5V的绕组上引出，用磁放大器单独控制。

-12V和+12V的输出滤波电感相耦合。

构成近似的反激电路。

所以，变压器的直接输出只有+12V和+5V。

电路参数如下：

（1）电源开关频率fT：

70kHz；

（2）电源的负载关系如下图：

（3）变压器输出功率为Po=90W。

（4）输入电压范围

2、变压器的设计

（1）磁芯材料的选择

公司所用的磁芯材料大部分为TDK的PC40磁芯材料，或者是与之性能相近的其他厂商的磁材。

下面的设计以PC40为基础。

（2）AP法确定磁芯的尺寸

由PC40的磁芯损耗曲线（下图），可以直到，当比损耗为100mW/cm3时，所对应的磁通摆幅Δ’B=0.15T。

则实际的正激变换器的磁通摆幅是Δ’B的两倍，即ΔB=0.3T。

根据南航，赵修科的《开关电源中的磁性元件》一书中的AP值公式（如下图），可以计算：

其中Po=100W（为了留出余量，将90V增加至100W），ΔB=0.3T，fT=70kHz，K=0.014。

带入公式计算得AP=0.2374cm4。

根据TDK公司的E系列磁芯表，如下：

可知EER25.2-Z的磁芯

有效截面积Ae=44.8mm2，

窗口面积可以大约估计为F×（E-D），就是2F×（F-D）/2。

则Aw≈76.26mm2。

则此磁芯的AP=Ae×Aw≈3416.448mm4≈0.3416cm4。

大于要求的0.2374的尺寸，而且有足够的余量。

可以选择这个磁芯。

最后决定用EER25.5磁芯。

（3）计算热阻Rth，确定不超过温升要求的损耗限制Plim

根据南航，赵修科《开关电源中的磁性元件》一书中的公式，如下：

并有Aw=0.7626cm4，可以算出EER25.5磁芯的热阻Rth≈47.2069℃/W。

假设允许温升为80℃，则允许损耗为

Plim=ΔT/Rth=80/47.2069=1.6947W。

（4）分配铁损和铜损，第二次确定ΔB

将上面计算的1.6947W的总损耗分配，Pfe=Pcu=0.85W

则此时，磁芯的单位体积铁损的比损耗为：

Pfe/V。

由规格书查得，EER25.5的有效体积为2160mm3，则

比损耗为850mW/2.16cm3=393.5185mW/cm3。

这时，从PC40比损耗曲线上查得Δ’B=220mT。

ΔB=2Δ’B=0.44T。

PC40在100摄氏度时的饱和磁场密度Bs=0.39T。

显的有点高。

从而重新分配铁损和铜损：

Pfe=0.4W，Pcu=1.3W。

此时的比损耗为400mW/2.16cm3=185.1852mW/cm3。

所对应的Δ’B=0.18T。

如下图：

则ΔB=2Δ’B=0.36T，小于100℃时的饱和磁通密度Bs=0.39T。

（5）确定+5V的匝数N5

根据《开关电源中的磁性元件》一书中的公式

其中，Uo=5.57V（5+0.57，0.57为次级肖特基STPS2045的导通压降）。

ΔB=0.36T，Ae=0.448cm2，fT=70K。

带入公式可得：

N5=4.9337匝。

取整数为5匝。

所以，相对应的+12V输出应该是12匝。

因为是交流叠加，从而+12V的输出线圈只需要绕7匝。

（6）重新计算N5=5时所对应的ΔB

将数据带入到上述公式中去可以得到ΔB=0.3552T。

与0.36T相差不大。

所以，磁芯损耗基本不变，还为0.4W。

（7）确定初级匝数N1

首先规定占空比D的最大值为20%。

则由正激变换器的输出/输入电压关系

可以得到

由输入电压范围可以知道，不管是倍压还是230V的直接输入，最低电压应该是180VAC（倍压时为90*2=180）。

但是，倍压电路不会到达最高的2倍。

而是在1.9倍左右，而且经过整流滤波后，输入的直流电压最高为交流的1.37倍（与输入滤波电容有关），1.37倍为实际测量值。

所以，Uin最小值为90*1.9*1.37=234.37V。

此时最大占空比为20%。

则将D=0.2，N5=5，Uin=234.37V，U’o=5.57V带入上公式有

N1=42.0592V。

取N1=42匝。

（8）确定初级和次级直流和交流电流

由负载表假设以下的负载为最坏情况：

3.3V-6A；12V-3A；5V-8A；-12V-0.1A。

总输出功率为97W。

总输出电流为17.1A。

因为+12V、3.3V和-12V，的电流总要流过+5V的线圈。

所以，相当于+5V的线圈要流过17.1A的电流。

而且此时，电路出于CCM模式。

变压器上的电流波形为梯形波。

根据《开关电源中的磁性元件》中的计算梯形波直流电流和交流电流的公式：

可以得到+5V线圈电流直流分量

可以得到+5V线圈电流交流分量

则，原边电流的直流和交流分量分别为：

（9）确定初级线径

由于，此PC电源制冷方式为风冷，且功率不大。

所以，可以将电流密度J取的大些，这里取10A/mm2。

这样，原边需要的线的截面积为

A1=I1dc/J=0.08095mm2。

查漆包线的规格表有，可以选用外径为0.4mm的漆包线。

分两层绕，三明治绕法。

在70℃时，铜的穿透深度为0.269mm，大于0.4漆包线的半径，则可以使用。

但是，查EER磁芯的骨架手册，如下图：

可知，EER25.5骨架的C的长度为10.05mm，根据安规的要求，在骨架两边需要加2mm的挡墙。

则剩下的绕线空间只有6.05mm。

0.4的漆包线，一层绕21匝，需要的空间为0.4*21=8.4mm。

可见是绕不下的。

没有办法，只好改变线径。

最后选用0.25的漆包线。

完全可以绕下。

关键是看其铜耗的大小。

（10）确定初级线圈的铜耗Pcu1

0.25漆包线的电阻系数α0.25为422*10-6Ω/mm，而骨架的平均绕线长度L为46.2mm，共绕了42匝，则其直流电阻

Rdc1=α0.25*N1*L=0.7166Ω。

则此时的直流铜耗

Pcudc1=I1dc*I1dc*Rdc1=0.1174W。

再根据《开关电源中的磁性元件》中计算交流电阻的方法，确定初级的交流电阻R1ac。

首先计算H。

H的计算公式如下：

对于0.25的漆包线，只有一根，则，d=0.23mm，s=0.255mm，Δ=0.269mm。

最终可以计算处参数Q。

Q=0.83*0.23*（0.23/0.255）0.5/0.269=0.6739

对照下图，求得交流电阻与直流电阻的比值Fr。

如图：

此时，Fr=1。

（对应的层数为1层，因为是三明治绕法）。

则R1ac=R1dc=0.7166Ω。

则Pcuac1=I1ac*I1ac*Rac1=0.4696W。

（11）第一次确定+5V绕线线径

A5=I5ac/J=0.68mm2。

查漆包线的规格表，可知，可用1根1.0的漆包线。

但是，漆包线的半径大于铜的穿透深度。

这样，绕线的交流损耗会比较大。

1.0漆包线的电阻系数α1.0为25.8*10-6Ω/mm，而骨架的平均绕线长度L为46.2mm，共绕了5匝，则其直流电阻

Rdc5=α1.0*N5*L=0.0059598Ω。

则此时的直流铜耗

Pcudc5=I5dc*I5dc*Rdc5=0.068895W。

再计算H。

此时，d=0.93mm，s=0.99。

则H=0.7451。

则Q=H/Δ=2.8.

此时Fr=2.7，如图：

则Rac5=2.7*Rdc5=0.01609146Ω

则Pcuac5=I5ac*I5ac*Rac5=0.7441W。

可见，此绕组铜损的交流分量和直流分量相差很悬殊。

并不是最优的。

但是，如果将线径加粗，则铜耗的直流分量会减小一点，但交流分量会大大增加。

最终的铜耗会增加。

尝试用两根0.6的漆包线绕制。

（12）第二次确定+5V绕组线径和铜耗

由于只有6mm的绕线空间，选择用2根0.6的漆包线进行绕制。

0.6漆包线的电阻系数α0.6为73.7*10-6Ω/mm，而骨架的平均绕线长度L为46.2mm，共绕了5匝，则其直流电阻

Rdc5=α0.6*N5*L/2（两股并绕）=0.00851235Ω。

则此时的直流铜耗

Pcudc5=I5dc*I5dc*Rdc5=0.098402766W。

再计算H。

由于是两股并绕，所以，我用的方法是，先计算一根导线上的交流损耗，然后加倍后为两根导线并绕的总交流损耗。

此时，每根导线上流过一半的交流电流。

此时，d=0.55mm，s=0.6。

则H=0.43707。

则Q=H/Δ=1.6248.

此时Fr1.4左右，如图：

则R’5dc=α0.6*N5*L*1.4=0.02383458Ω

而I’5ac=0.5*I5ac=3.4A，

所以P’5cuac=I’5ac*I’5ac*R’5dc=0.2755277448W。

从而，P5cuac=2*P’5cuac=0.5510554896W。

降低了大约0.15W的损耗。

《开关电源中的磁性元件》中说，Fr=1.5时是较优的，所以已经达到比较优的状态了。

从而决定用两根0.6的线并绕。

（13）确定+12V绕线线径以及损耗。

+12V最大流过6A的电流。

则+12V电流的直流和交流分量分别为：

仍然假设电流密度J为10A/mm2。

则12V所需要的线径

A12=0.24mm2。

所对应的漆包线为0.6。

由于是交流叠加，所以，12V绕7匝。

则12V绕组的直流电阻为：

R12dc=α0.6*L*N12=0.02198Ω。

所以P12cudc=I12dc*I12dc*R12dc=0.03165W。

上面已经计算过，此时的Fr=1.4.

则R12ac=1.4*R12dc=0.03077Ω。

则P12cuac=I12ac*I12ac*R12ac=0.17724672W

（14）计算总铜耗计算和总温升

Pcu=P1cuac+P1cudc+P5cuac+P5cudc+P12cuac+P12cudc

=0.1174+0.4696+0.098402766+0.5510554896+0.03165+0.17724672

=1.4453549756W。

比预计的1.3W的铜损多了0.15W大约。

总损耗P=Pfe+Pcu=0.4+1.4453549756=1.8453549756W。

此时的变压器温升为：

ΔT=P*Rth=87.113℃。

`计算勉强通过！