开关电源变压器设计.docx
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开关电源变压器设计.docx
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开关电源变压器设计
開關電源變壓器設計(草稿)
開關變壓器是將DC電壓﹐通過自激勵震蕩或者IC它激勵間歇震蕩形成高頻方波﹐通過變壓器耦合到次級,整流后達到各种所需DC電壓﹒
變壓器在電路中電磁感應的耦合作用﹐達到初﹒次級絕緣隔離﹐輸出實現各种高頻電壓﹒
目的﹕減小變壓器体積﹐降低成本﹐使設備小形化﹐節約能源﹐提高穩壓精度﹒
工頻變壓器与高頻變壓器的比較﹕
工頻高頻
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(系統100W供電142W)Cosψ>0.90(系統100W供電111W)
穩壓精度﹕ΔU%=1%(U20-U2/U20*100)ΔU<0.2%
适配.控制性能﹕差好
体積.重量大小
SPS開關電源方框圖
分立元件
IC
(典形電路)
開關變壓器主要工作方式
一.隔离方式:
有隔离;非隔离(TV&TVM11)
二.激勵方式:
自激勵;它激勵(F+&IC)
三.反饋方式:
自反饋;它反饋(F-&IC)
四.控制方式:
PWM:
PFM(T&TON)
五.常用電路形式:
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.激勵方式:
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
單端反激勵(Flyback)
控制電路
Vo
Vi
Tr
單端正激勵(Forward)
-
Tr
+
Tr:
TonIRLIRL
開關變壓器主要設計參數
靜態測試參數:
RDC.L.LK.LDC.TR.IR.HI-POT.IVO-P.Cp.Z.Q.…………..
動態測試參數:
Vi.Io.Vo.Ta.U.FDmax………….
材料選擇參數
CORE:
P.Pc.ui.AL.Ae.Bs…….
WIRE:
Φ℃.ΦImax.HI-POT……..
BOBBIN:
UL94V--O.(PBT.PHENOLIC.NYLON)……….
TAPE:
℃.δh.HI-POT……..
製程設置要求
PN…(SOL.SPC).PN//PN.PN-PN.SN(SOL.SPC).Φn.Mtape:
δ&wTAPE:
δ&w.V℃……..
三.反饋方式:
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
脈沖寬度調制脈沖頻率調制
五.常用電路形式:
單端反激勵FLYBACK單端正激勵FORWARD
Rfz
開關變壓器主要設計參數
靜態測試參數:
RDC.L.LK.LDC.TR.IR.HI-POT.IVO-P.Cp.Z.Q.…………..
動態測試參數:
Vi.Io.Vo.Ta.U.FDmax………….
材料選擇參數
CORE:
P.Pc.ui.AL.Ae.Bs…….
WIRE:
Φ℃.ΦImax.HI-POT……..
BOBBIN:
UL94V--O.(PBT.PHENOLIC.NYLON)……….
TAPE:
℃.δh.HI-POT……..
製程設置要求..
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
單端反激勵FLYBACK調節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
單端反激勵(Flyback)波形分為:
臨界狀態,非連續狀態,連續狀態(常用狀態).
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
單端反激勵(Flyback)設計例題一
條件﹕
Vi=170V-270V﹐f=30KHZVo=5V,Io=20A,Dmax=0.45(設計取值)
設計﹕
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選擇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選"銅箔"為佳.PΦ=√2.04/3=0.82,選0.60X2
r2*π(2.58/2)2*3.14=5.225選擇19#,Φ=0.98*7(0.98/2)2*3.14*7=5.277(4Pin並繞)
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=91.32TNp=(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﹕
單端正激勵(FORWARD)設計例題一
已知條件﹕
輸入電壓﹒Vi=48V(36~60V),額定輸出電壓﹒電流﹒Vo=5.0V﹒Io=11A
額定輸出功率55W.最大輸出功率65W
f=470kHz(450~500kHz)δmax=0.42η=82
設計步驟:
選擇PC50.3F3.N49等材質
選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,調整為6TS
3):
Ns=Np*(Vo+VD)/(Vi*δmax)
=4*(5.5+1)/(36*0.42)=1.7TS調整為2TS
4):
反饋繞組.N=Np*(15+1)/(36*0.42)=6*16/(36*0.42)=6TS
5):
選擇繞組線徑Np:
Φ0.1*120C
Ns:
Φ0.1*200C
N:
Φ0.25
6):
由於為安全電壓.故不須包MARGINTAPE.
單端正激勵(FORWARD)設計例題二
已知條件﹕
輸入電壓﹒Vi=100V(85V~135V),
額定輸出電壓﹒電流﹒Vo=5.0V(4.5-5.5)﹒Io=20A
f=200kHzδmax=0.42
設計步驟:
選擇PC40..TP4等材質
選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
优化設計舉例
1)繞線空間設計:
變壓器繞線空間設計得好﹐使其耦合傳遞最佳﹐發揮功率更佳﹐干扰更小﹐
(3)
(2)
P
S
(1)
要求電流較大﹐漏感較小﹒P&S均可采用分層繞法﹒
(1)
(3)
例一﹐ETD44AV音響主功率變壓器
1-2Φ0﹒35X725T
1-2Φ0﹒21X10X225T
7-9Φ0﹒35X95T
7-9Φ0﹒35X95T
2-3Φ0﹒21X10X225T
2-3Φ0﹒35X725T
減小繞線高度﹐對理線較合理﹒
(1)
(3)
例二﹐EI22DVD輔助變壓器
1-XΦ0﹒308T
1-2Φ0﹒2516T
6--8--------------------
6--8--------------------
6--9--------------------
6--9--------------------
X-2Φ0﹒308T
1-2Φ0﹒2516T
增強耦合性能﹐采用並聯繞線﹐合理安排接線工藝﹐減小漏感﹒
(3)
(2)
例三﹐EER28DVD主功率變壓器
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﹐減小漏感﹐提高負載能力﹒17--15Φ0.40X24T
2)絕緣空間設計
隨著變壓器的小形化﹐可以根据爬電距离來實現安全性能要求﹐設計產品的
目的﹐主要滿足用戶要求﹐符合安全性能規定﹒
1﹒干燥空气爬電耐壓距离﹕經驗距离為1mm/1000V﹒
2﹒TAPE(0﹒025/0﹒065)P-S三層規定﹕1層>4000V延伸變形后>1500V﹒
3﹒S線圈-S線圈之間爬電耐壓距离﹕>1500V>1.5mm﹒
4﹒邊緣膠帶MARGINTAPE爬電耐壓距离﹕邊緣安膠W=3mm可根据Vi電壓W1.5-2.mm﹒
5﹒采用TEX-E線解決耐壓距离﹕三重絕緣線層>6000V延伸變形后耐壓下降﹒
6﹒膠帶絕緣層解決耐壓距离﹕膠帶村墊SOL一層SPC二層﹐反貼膠帶等﹒
7﹒規格耐壓條件(3.0KV/60’2mA)制程條件UL3.0KV*1.2倍/2’2mA﹒
8﹒層間耐壓要求﹕層間耐壓測試要求﹐与AN有關﹒
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)開關變壓器的參數分析
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
區
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.關于集膚效應可選用多股線(滿足b>aa=r2πb=r2π*xx=x股線)滿足高頻負載電流﹐降低變壓器溫升﹒
2.關于Lk与Cp是一對矛盾﹐一般要求變壓器平衡Lk与Cp參數﹐Lk不要追求愈小愈好﹐Cp的增加會引起噪聲的增加﹒
開關變壓器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﹒氣隙GAP設計大小与所需要的傳遞能量有關﹐GAP大氣隙長度增加也就是氣隙體積增加﹐電感下降﹒GAP小容易引起電感飽和﹒
2﹒氣隙GAP傳遞能量大小与使用的工作頻率有關﹐高頻時(>60KHZ)磁芯損耗加大﹒
3﹒LEAKAGE漏感﹕初級繞組P&S次級主繞組相鄰緊密﹐耦合面積大﹐(P﹒S夾繞)漏感量小﹒S次級主繞組如果匝數少﹐疏繞或者增加匝數﹐也可減小漏感量﹒
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