开关电源变压器设计要点.docx
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开关电源变压器设计要点.docx
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开关电源变压器设计要点
开关电源变压器设计(草稿)
开关变压器是将DC电压﹐通过自激励震荡或者IC它激励间歇震荡形成高频方波﹐通过变压器耦合到次级,整流后达到各种所需DC电压﹒
变压器在电路中电磁感应的耦合作用﹐达到初﹒次级绝缘隔离﹐输出实现各种高频电压﹒
目的﹕减小变压器体积﹐降低成本﹐使设备小形化﹐节约能源﹐提高稳压精度﹒N
工频变压器与高频变压器的比较﹕
工频高频
E=4.4fNAeBmf=50HZE=4.0fNAeBmf=50KHZNAeBm
效率﹕η=60-80%(P2/P2+Pm+PC)η>90%((P2/P2+Pm)
功率因素﹕Cosψ=0.6-0.7(系统100W供电142W)Cosψ>0.90(系统100W供电111W)
稳压精度﹕ΔU%=1%(U20-U2/U20*100)ΔU<0.2%
适配.控制性能﹕差好
体积.重量大小
SPS開關電源方框圖
分立元件
IC
(典形電路)
开关变压器主要工作方式
一.隔离方式:
有隔离;非隔离(TV&TVM11)
二.激励方式:
自激励;它激励(F+&IC)
三.反馈方式:
自反馈;它反馈(F-&IC)
四.控制方式:
PWM:
PFM(T&TON)
五.常用电路形式:
FLYBACK&FORWARD
非隔离:
P-S共用地﹐俗稱熱底板
有隔离:
P-S不共用地
一.隔离方式:
S2
S1
P=300V
220V*√2-VD
F-
取樣
分立元件震蕩
P=300V
S1=120V
S1=110V
S2=57V
F+
激勵
S3=16V
分立元件
自激勵﹕用變壓器F+自激勵震蕩
它激勵﹕用集成IC它激勵間歇震蕩
二.激励方式:
S1=85V
S1=120V
S1=120V
S2=12V
S1=40V
IC
P=40V
P=300V
S3=±12V
F+=5VV
S2=5V
控制電路
Vo
Vi
单端反激励(Flyback)
控制電路
Vo
Vi
Tr
单端正激励(Forward)
-
Tr
+
Tr:
TonIRLIRL
开关变压器主要设计参数
静态测试参数:
RDC.L.LK.LDC.TR.IR.HI-POT.IVO-P.Cp.Z.Q.…………..
动态测试参数:
Vi.Io.Vo.Ta.U.FDmax………….
材料选择参数
CORE:
P.Pc.ui.AL.Ae.Bs…….
WIRE:
Φ℃.ΦImax.HI-POT……..
BOBBIN:
UL94V--O.(PBT.PHENOLIC.NYLON)……….
TAPE:
℃.δh.HI-POT……..
制程设置要求
PN…(SOL.SPC).PN//PN.PN-PN.SN(SOL.SPC).Φn.Mtape:
δ&wTAPE:
δ&w.V℃……..
三.反馈方式:
它反饋﹕用集成IC接受輸出光電
耦合信號﹐調整Ton,達到輸出穩定﹒
自反饋﹕用變壓器F-同步于主輸出
調整理Ton,達到輸出穩定﹒
;它
S4=+12V
P=300V
分立元件
F+=8V
四.控制方式:
PWM:
PFM
T可變
T恒定
脉冲宽度调制脉冲频率调制
五.常用电路形式:
单端反激励FLYBACK单端正激励FORWARD
Rfz
开关变压器主要设计参数
静态测试参数:
RDC.L.LK.LDC.TR.IR.HI-POT.IVO-P.Cp.Z.Q.…………..
动态测试参数:
Vi.Io.Vo.Ta.U.FDmax………….
材料选择参数
CORE:
P.Pc.ui.AL.Ae.Bs…….
WIRE:
Φ℃.ΦImax.HI-POT……..
BOBBIN:
UL94V--O.(PBT.PHENOLIC.NYLON)……….
TAPE:
℃.δh.HI-POT……..
制程设置要求..
傳遞磁能區間增加
加GAP曲線Br下降﹐ΔB增加
傳遞能力增大﹒
Bs:
飽和磁通(束)密度Br:
殘留磁通(束)密度
Hs:
飽和磁場強度Hc:
保磁力(矯頑力)
Ui:
初始導磁率
单端反激励FLYBACK调节TON使能量守恒定1/2*LP*IPK2=1/2*LS*ISK2
ToffBmBr
開關變壓器應用磁滯回線描述
變壓器導通Ton和截止Toff的變化
單端反激勵(Flyback)
一.波形
Ton
變壓器能量守恒﹐就是利用Ton調整Vo﹒
Vi
Dmax=Ton/T
Toff
T=1/f
Ton=1/f*Dmax
Ip
CL放電電流
Ipk
Ir
ΦI
Φ磁通變化
Bm
Φr
单端反激励(Flyback)波形分为:
临界状态,非连续状态,连续状态(常用状态).
二.設計公式
Po=1/2LIpk2*f(η)Vimin=Ipk*Lp/Ton
Po/ViminIpk=2Po/DmaxVimin(Po=VoIo)
Vimin*Ton=Ipk*LpLp=Vimin*Dmax/Ipk*f
Np=Lp*Ipk/Ae*ΔBNp=ΔB*Ig/0.4π*Ipk
4
Ig=0.4πLpIpk2/Ae*ΔB2
Vo+VD=Vimin*(Dmax/1-Dmax)*Ns/Np
Ns=(VO+VD)*(1-Dmax)*Np/Vimin*Dmax
Core=g/w(f=20kHzREF)
Dmin=Dmax/(1-Dmax)K+DmaxK=Vimax/Vimin
单端反激励(Flyback)设计例题一
条件﹕
Vi=170V-270V﹐f=30KHZVo=5V,Io=20A,Dmax=0.45(设计取值)
设计﹕
1)Vimin=170*1.4--20=218V,Vimax=270*1.4-20=358V
Vimin=170*√2-(VD.ΔU)Vimax=270*√2-(VD.ΔU)Vimin=(ViACMIN)2-2Po(1/2fL-tc)
2)Ipk=2*5*20/218*0.45=2.04AηCIN
Ipk=2Po/DmaxVimin(Po=VoIo)Po=1/2LIpk2*f(η)
3)Lp=218*0.45/2.04*30000=1.6mH
Lp=Vimin*Dmax/Ipk*f
4)K=358/218=1.64
K=Vimax/Vimin
5)Dmin=0.45/(1-0.45)*1.64+0.45=0.332
Dmin=Dmax/(1-Dmax)K+Dmax
6)CORE查表100W选择EER42/15Ae=183mm2(1.83cm2)Bs=390mT(3900Gs)
Core=g/w(f=20kHzREF)
7)WIRE查表或SΦ=√I/3=√20/3=2.58mm选"铜箔"为佳.PΦ=√2.04/3=0.82,选0.60X2
r2*π(2.58/2)2*3.14=5.225选择19#,Φ=0.98*7(0.98/2)2*3.14*7=5.277(4Pin并绕)
8)Ig=(0.4*3.14*1.6*10-3*2.042/1.83*19502)*108=0.12cm
Ig=0.4πLpIpk2/Ae*ΔB2
9)Np=1950*0.12/0.4*3.14*2.04=91.32T.Np=(0.0016*2.04/1.83*1950)*108=91.46T
Np=ΔB*Ig/0.4π*IpkNp=Lp*Ipk/Ae*ΔB
10)Ns=(5+1)*(1-0.45)*91/218*0.45=3.06T11)P=1/2*1.6*2.042*30=96W
Ns=(VO+VD)*(1-Dmax)*Np/Vimin*DmaxP=1/2LI2*f
另一种AP法,計算參數查找麻煩
單端正激勵(Forward)
UCE
能量再生線圈和波形
一﹐波形
2UCE
二﹐設計公式﹕
单端正激励(FORWARD)设计例题一
已知条件﹕
输入电压﹒Vi=48V(36~60V),额定输出电压﹒电流﹒Vo=5.0V﹒Io=11A
额定输出功率55W.最大输出功率65W
f=470kHz(450~500kHz)δmax=0.42η=82
设计步骤:
选择PC50.3F3.N49等材质
选PC50.EPC25.Ae:
46.4mm2.Le:
59.2mm.BS:
3800GS
1):
Ipk=Ic=2POUT/Vinmin=2*65/36=3.6A
2):
Np=Vinmax*108/(4FBmax*Ae)取Bmax=2000G
=60*108/(4*450K*2000G*0.464)=4TS,调整为6TS
3):
Ns=Np*(Vo+VD)/(Vi*δmax)
=4*(5.5+1)/(36*0.42)=1.7TS调整为2TS
4):
反馈绕组.N=Np*(15+1)/(36*0.42)=6*16/(36*0.42)=6TS
5):
选择绕组线径Np:
Φ0.1*120C
Ns:
Φ0.1*200C
N:
Φ0.25
6):
由于为安全电压.故不须包MARGINTAPE.
单端正激励(FORWARD)设计例题二
已知条件﹕
输入电压﹒Vi=100V(85V~135V),
额定输出电压﹒电流﹒Vo=5.0V(4.5-5.5)﹒Io=20A
f=200kHzδmax=0.42
设计步骤:
选择PC40..TP4等材质
选TP4.EE28C.Ae:
87.4mm2.BS:
3800GS取Bmax=2000G
1):
T=1/fo=1/200K=5us
2):
Tonmax=T*Dmax=5*0.42=2.1us
3):
V2min=(Vo+VL+VF)*T/Tonmax=(5.5+0.2+0.5)*5/2.1=14.8V
4):
n=V2min/V1min=14.8/100=0.148
5):
N2=(V2min*Tonmax/Bs*Ae)*104=(14.8*2.1/2000*87.4)*104=1.83T︽2T
6):
N1=N2/n=2/0.148=13.5T︽14T
Tonmax=(Vo+VL+VF)*T/V2min=2.09Dmax=Tonmax/T=2.09/5=0.418︽0.42
优化设计举例
1)绕线空间设计:
变压器绕线空间设计得好﹐使其耦合传递最佳﹐发挥功率更佳﹐干扰更小﹐
(3)
(2)
P
S
(1)
要求电流较大﹐漏感较小﹒P&S均可采用分层绕法﹒
(1)
(3)
例一﹐ETD44AV音响主功率变压器
1-2Φ0﹒35X725T
1-2Φ0﹒21X10X225T
7-9Φ0﹒35X95T
7-9Φ0﹒35X95T
2-3Φ0﹒21X10X225T
2-3Φ0﹒35X725T
减小绕线高度﹐对理线较合理﹒
(1)
(3)
例二﹐EI22DVD辅助变压器
1-XΦ0﹒308T
1-2Φ0﹒2516T
6--8--------------------
6--8--------------------
6--9--------------------
6--9--------------------
X-2Φ0﹒308T
1-2Φ0﹒2516T
增强耦合性能﹐采用并联绕线﹐合理安排接线工艺﹐减小漏感﹒
(3)
(2)
例三﹐EER28DVD主功率变压器
3--4Φ0.4025T
17--15Φ0.40X24T
4--2Φ0.4025T
14--13----------------------
2--1Φ0.4025T
3--4Φ0.4025T
17--15Φ0.40X54T
4--2Φ0.4025T
14--13----------------------
2--1Φ0.4025T
加大耦合﹐减小漏感﹐提高负载能力﹒17--15Φ0.40X24T
2)絕緣空間設計
随着变压器的小形化﹐可以根据爬电距离来实现安全性能要求﹐设计产品的
目的﹐主要满足用户要求﹐符合安全性能规定﹒
1﹒干燥空气爬电耐压距离﹕经验距离为1mm/1000V﹒
2﹒TAPE(0﹒025/0﹒065)P-S三层规定﹕1层>4000V延伸变形后>1500V﹒
3﹒S线圈-S线圈之间爬电耐压距离﹕>1500V>1.5mm﹒
4﹒边缘胶带MARGINTAPE爬电耐压距离﹕边缘安胶W=3mm可根据Vi电压W1.5-2.mm﹒
5﹒采用TEX-E线解决耐压距离﹕三重绝缘线层>6000V延伸变形后耐压下降﹒
6﹒胶带绝缘层解决耐压距离﹕胶带村垫SOL一层SPC二层﹐反贴胶带等﹒
7﹒规格耐压条件(3.0KV/60’2mA)制程条件UL3.0KV*1.2倍/2’2mA﹒
8﹒层间耐压要求﹕层间耐压测试要求﹐与AN有关﹒
膠帶耐壓測試
空气爬電耐壓測試
0.065mm
鐵平板
4﹒0KV
鐵平板
CS2670
耐壓儀
常規安全距离
MARGINTAPE3mm
常規安全距离
MARGINTAPE6mm
wire-core
TUBE保護
woil-woil
爬電距离
woil-woil
TUBE保護
3)开关变压器的参数分析
一﹐漏感Lk﹕當開關管達到高速開關時﹐(截止)由于變壓器的Lk存在﹐開關管兩端就會產生浪涌電壓﹒整机中可以采用(電壓鉗位電路)來控制.
UL
L(dic/dt)
Uc
区
C(dUc/dt)
Ic
IL
二﹐分布電容Cp﹕當開關管(導通)由于開關寄生電容及變壓器Cp產生浪涌電流﹐流向開關產生很大噪聲﹒整机中可以采用(電流限制電路)來控制.
三﹐集膚效應﹕﹒線圈中流過高頻電流時在開關頻率較高﹐電流只在導線的表皮流過﹐稱為集膚效應﹐高速開關下磁力線引起渦流﹐抵消中心電流﹐導線形成空心導体﹒
穿透深度Δ=6﹒61/√f(mm)高頻>100KHZ,線經不超過穿透深度Δ的兩倍為好﹒
例﹒Δ=0﹒090﹒09*2=0﹒18選用0﹒10-0﹒17
1.关于集肤效应可选用多股线(满足b>aa=r2πb=r2π*xx=x股线)满足高频负载电流﹐降低变压器温升﹒
2.关于Lk与Cp是一对矛盾﹐一般要求变压器平衡Lk与Cp参数﹐Lk不要追求愈小愈好﹐Cp的增加会引起噪声的增加﹒
开关变压器GAP&LK
LEAKAGEFLUX
GAP儲蓄能量
B
B
1/2LI2=*/uo0.4π*AeIg
GAP
Φ1
MUTUALFLUX
Φ2
ΦC
SECONDARY
PRIMARY
B
儲能
體積
磁場
磁感
GAP氣隙長度
Ig=0.4πLI2/Ae*2
B
1﹒气隙GAP设计大小与所需要的传递能量有关﹐GAP大气隙长度增加也就是气隙体积增加﹐电感下降﹒GAP小容易引起电感饱和﹒
2﹒气隙GAP传递能量大小与使用的工作频率有关﹐高频时(>60KHZ)磁芯损耗加大﹒
3﹒LEAKAGE漏感﹕初级绕组P&S次级主绕组相邻紧密﹐耦合面积大﹐(P﹒S夹绕)漏感量小﹒S次级主绕组如果匝数少﹐疏绕或者增加匝数﹐也可减小漏感量﹒
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- 开关 电源变压器 设计 要点