开关电源变压器设计实例

开关电源变压器设计

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＝4.4f N Ae Bm f=50HZ E＝4.0f N Ae Bm f=50KHZ N Ae Bm

效率﹕ η=60-80 % (P2／P2+Pm+ P η>90% ((P2／P2+Pm

C

))

功率因素﹕ Cosψ=0.6-0.7 Cosψ>0.90

(系统100W供电142W) (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

AC

SPS開關電源方框圖

EMI濾波電路

DC DC

AC

整流濾波

隔離變壓器

整流濾波

電路

分

立

元

件

IC

間隙震

蕩﹒功率因

素改善﹒保

取樣﹒放大

PWM控制電路

光電

耦合

電路

（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 & T)

ON

五.常用电路形式: FLYBACK & FORWARD

一.隔离方式:

非隔离:P-S共用地﹐俗稱熱底板

有隔离:P-S不共用地

S1=110V

S1=120

P=300V

P=300V

220V*√2-VD

S1

分

立

分

S2=57V

元

立

件

元

F＋

震

件

蕩

F－

激勵

S3=16V

S2

取樣

二.激励方式:

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

S1=120S1=85V

P=300

S1=40V

S1=120

P=40V

F+=5V

S3= ±12V

ＩＣ

S2=5V

S2=12V

单端反激励 (Flyback)

Vi

Vi

Vo

单端正激励 (Forward)

Vo

控制電路

Tr

控制電路

-

+

Tr

Tr:Ton I

RL

开关变压器主要设计参数

静态测试参数:

RL. LL TR. IR. HI-POT. IV Cp. Z. Q.………

DC. K. DC. O-P.

Vi. Io. Vo. TaU. F D………….

CORE: P. Pc. i. AAe. Bs…….

WIRE: Φ . ΦI. HI-POT……..

BOBBIN: UL94 V--O.( PBT. PHENOLIC. NYLON)……….

TAPE: ℃ . . HI-POT……..

P…().PN//-PN. S().Φn. M TAPE:V

NNtape:&w &w.

动态测试参数:

. max

材料选择参数

u

L.

max

℃

δ

h

制程设置要求

δδ℃

……..

三.反馈方式:

; 它

自反饋﹕用變壓器F-同步于主輸出

它反饋﹕用集成IC接受輸出光電

調整Ton,達到輸出穩定﹒ 耦合信號﹐

調整理Ton,達到輸出穩定﹒

分

立

元

件

四.控制方式: PWM: PFM

F-= 12V

取樣

S3=16V

P=300V

220V*√2-VD

S1=120V

P=300

S1=120S1=85V

S3= +20V

F+=5

V

激勵

IC

S2=5V

S2=26V

F＋

S4= +12V

Ton可變

脉冲宽度调制 脉冲频率调制

T恒定

Ton恒定

T可變

五.常用电路形式:

单端反激励FLYBACK 单端正激励 FORWARD

Vo Vi

Vi Vo

控制電路

控制電路

Tr

Tr

Ton Toff Rfz

Rfz

开关变压器主要设计参数

静态测试参数:

RL. LL TR. IR. HI-POT. IV Cp. Z. Q.………

DC. K. DC. O-P.

动态测试参数:

Vi. Io. Vo. TaU. F D………….

. max

材料选择参数

CORE: P. Pc. i. AAe. Bs…….

u

L.

WIRE: Φ . ΦI. HI-POT……..

max

℃

BOBBIN: UL94 V--O.( PBT. PHENOLIC. NYLON)……….

TAPE: ℃ . . HI-POT……..

δ

h

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:Br:

飽和磁通(束)密度殘留磁通(束)密度

Hs:Hc:

飽和磁場強度保磁力(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*L*I=1/2*L*I

PPKSSK

22

B

開關變壓器應用磁滯回線描述

I

Bm

2Bac

Br

變壓器導通Ton和截止Toff的變化

Bdc

Ton Br Bm

Toff Bm Br

H

Idc

單端反激勵(Flyback)

Ton

一.波形

變壓器能量守恒﹐就是利用Ton調整Vo﹒

Toff

Dmax=Ton/T

T=1/f

Ton=1/f*Dmax

Vi

Ip

Ip

Ir

CL放電電流

ΦI

Φ磁通變化

Bm

B

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=1／2LI*f (η)Vi=I*Lp／Ton

pkminpk

2

Po／ViI2Po／DVi ( Po=VoIo)

min pk=maxmin

Vi*Ton=I*Lp Lp=Vi*D ／I*f

minpkminmaxpk

Np=Lp*I ／Ae*ΔB Np= Δ B*Ig／ 0.4π*I

pkpk

4

Ig=0.4πLI／Ae*ΔB

ppk

22

Vo+VD=Vimin*(Dmax／1-Dmax)*Ns/Np

Ns=(V+V)*(1-Dmax)*Np／Vi*D

ODmin max

Core=g/w(f=20kREF)

Hz

Dmin=Dmax／(1-Dmax)K+Dmax K=ViVimin

max/

单端反激励(Flyback)设计例题一

条件﹕

V=170V－270V ﹐f= 30K Vo= 5V, Io=20A, D=0.45(设计取值)

i HZ max

设计﹕

1) Vi min=170*1.4-－20=218V, Vi max=270*1.4－20=358V

Vi min=170*√2-(VΔU) Vi max=270*√2-(V.ΔU) Vi min= (V)2Po(1/2fL -tc)

D.DiACMIN

2

-

2) I=2*5*20／218*0.45=2.04A ηCIN

pk

Ipk=2Po／DmaxVimin ( Po=VoIo) Po=1／2LI*f (η)

pk

2

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 EER42／15 Ae=183mm(1.83cm) Bs=390mT(3900Gs)=0.39T

22

Core=g/w(f=20kREF)

Hz

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

r*π (2.58/2)*3.14=5.225 选择19#,Φ=0.98*7 (0.98/2)*3.14*7=5.277（4Pin并绕）

222

8) Ig=(0.4*3.14*1.6*10*2.04／1.83*1950)*10=0.12cm

-322 8

Ig=0.4πLpIpk／Ae* ΔB

22

9) Np=1950*0.12／0.4*3.14*2.04=91.32T . Np=(0.0016*2.04／1.83*1950)*10=91.46T

8

Np=ΔB*Ig／ 0.4π*Ipk Np=Lp*Ipk ／Ae*ΔB

10) Ns=(5+1)*(1-0.45)*91／218*0.45=3.06T 11）P=1/2*1.6*2.04*30=96W

2

Ns=(V+V)*(1-Dmax)*Np／Vimin* Dmax P=1/2LI*f

OD

2

另一种ＡＰ法,計算參數查找麻煩

單端正激勵(Forward)

UCE

单端正激励()设计例题一

FORWARD

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 (450~500 kHz) δmax=0.42 η=82

设计步骤: 选择PC50. 3F3. N49等材质

选PC50. EPC25. Ae: 46.4mm. Le: 59.2mm. B: 3800G

2

SS

1): Ipk= Ic= 2POUT / Vinmin= 2*65 / 36= 3.6A

2): Np= Vinmax*10 / (4FBmax*Ae) 取Bmax=2000G

8

= 60*10 / (4*450K*2000G*0.464)= 4TS, 调整为6TS

8

3): Ns= Np *(Vo+V) / (Vi*δmax)

D

= 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MARGIN TAPE.

FORWARD

单端正激励()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=200kHz δmax=0.42

设计步骤: 选择PC40..TP4等材质

选TP4. EE28C. Ae: 87.4mm. B: 3800G取Bmax=2000G

2

SS

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)*10=(14.8*2.1/2000*87.4)* 10=1.83T︽2T

4 4

6): N1 =N2/ n=2/0.148=13.5T︽14T

Tonmax=(Vo+VL+VF)*T/ V2min=2.09 Dmax= 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﹐

要求电流较大﹐漏感较小﹒P&S均可采用分层绕法﹒

P

S

（3

（2

（1

（3）

（1）

例一﹐ETD44 AV音响主功率变压器

1－2 Φ0﹒35 X7 25T 1－2 Φ0﹒21 X10X2 25T

7－9 Φ0﹒35 X9 5T 7－9 Φ0﹒35 X9 5T

2－3 Φ0﹒35 X7 25T 2－3 Φ0﹒21 X10X2 25T

减小绕线高度﹐对理线较合理﹒

（1）

（3）

例二﹐EI22 DVD辅助变压器

1－X Φ0﹒30 8T 1－2 Φ0﹒25 16T

6--8-------------------- 6--8--------------------

6--9-------------------- 6--9--------------------

X－2 Φ0﹒30 8T 1－2 Φ0﹒25 16T

增强耦合性能﹐采用并联绕线﹐合理安排接线工艺﹐减小漏感﹒

（2）

（3）

3--4 Φ 0.40 25T

17--15 Φ0.40X5 4T 3--4 Φ 0.40 25T

4--2 Φ 0.40 25T 17--15 Φ0.40X2 4T

14--13---------------------- 4--2 Φ 0.40 25T

2--1 Φ 0.40 25T 14--13----------------------

例三﹐EER28 DVD主功率变压器

2--1 Φ 0.40 25T

加大耦合﹐减小漏感﹐提高负载能力﹒17--15 Φ0.40X2 4T

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﹒边缘胶带爬电耐压距离﹕ 边缘安胶W=3mm可根据Vi电压W1.5－﹒

MARGINTAPE

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﹒

空气爬電耐壓測試

2mm

2.0KV

膠帶耐壓測試

0.065m

4﹒0KV

鐵平板

鐵平板

CS2670

耐壓儀

CS2670

耐壓儀

常規安全距离

MARGIN TAPE 3mm

常規安全距离

woil-woil

爬電距离

MARGIN TAPE 6mm

wire-core

TUBE保護

woil-woil

TUBE保護

3）开关变压器的参数分析

一﹐漏感L

kk

﹕L

當開關管達到高速開關時﹐（截止）由于變壓器的

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.

区

U

L

Uc

L(dic/dt)

I

L

Ic

C(dc/dt)

U

二﹐分布電容Cp﹕Cp

當開關管（導通）由于開關寄生電容及變壓器產生浪涌電流﹐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＝0﹒09 0﹒09＊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>a a=r

22

π b= rπ*x x= x股线）满足高频负载电流﹐

降低变压器温升﹒

2. 关于L与Cp是一对矛盾﹐一般要求变压器平衡L与Cp参数﹐L不要追求愈小愈好﹐Cp

kkk

的增加会引起噪声的增加﹒

开关变压器GAP&L

K

LEAKAGE

PRIMAR

GAP

Φ2

Φ1

SECONDA

Φ

C

GAP儲蓄能量

MUTUAL

FLUX

1 / 2 L I= /

2

* 0.4

B

B

uπ* Ae Ig

o

儲能

GAP氣隙長度

B

磁感

磁場

體積

Ig=0.4πL I / 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﹒