一文教你反激變壓器設(shè)計(jì)過(guò)程

反激式變壓器是反激開關(guān)電源的核心。它決定了反激變換器一系列的重要參數(shù)，如占空比 D，最大峰值電流，設(shè)計(jì)反激式變壓器，就是要讓反激式開關(guān)電源工作在一個(gè)合理的工作點(diǎn)上。這樣可以讓其的發(fā)熱盡量小，對(duì)器件的磨損也盡量小。同樣的芯片，同樣的磁芯，若是變壓器設(shè)計(jì)不合理，則整個(gè)開關(guān)電源的性能會(huì)有很大下降，如損耗會(huì)加大，最大輸出功率也會(huì)有下降，今天我們一起來(lái)學(xué)習(xí)一下設(shè)計(jì)變壓器的方法。

設(shè)計(jì)變壓器，就要先選定一個(gè)工作點(diǎn)，在這個(gè)工作點(diǎn)上算，這個(gè)點(diǎn)就是最低的交流輸入電壓，對(duì)應(yīng)于最大的輸出功率。下面我們就來(lái)計(jì)算一個(gè)輸入85V到 265V，輸出5V，2A 的電源，開關(guān)頻率為100KHz。

電源參數(shù)

根據(jù)功率、輸入輸出的情況，我們選擇反激電源拓?fù)洹?

反激式變壓器的優(yōu)點(diǎn)有:

1、 電路簡(jiǎn)單,能高效提供多路直流輸出,因此適合多組輸出要求。2、轉(zhuǎn)換效率高,損失小。3、變壓器匝數(shù)比值較小。4、輸入電壓在很大的范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí),仍可有較穩(wěn)定的輸出。

設(shè)計(jì)步驟：

1、決定電源參數(shù)。2、計(jì)算電路參數(shù)。 3、選擇磁芯材料。 4、選擇磁芯的形狀和尺寸。 5、計(jì)算變壓器匝數(shù)、有效氣隙電感系數(shù)及氣隙長(zhǎng)度。 6、選擇繞組線圈線徑。 7、計(jì)算變壓器損耗和溫升。

步驟一、確定電源參數(shù)： (有些參數(shù)為指標(biāo)給定，有些參數(shù)從資料查得)

注：電流比例因數(shù)：紋波比例，在重載和低收入情況下的紋波電流和實(shí)際電流的比例。

步驟二、計(jì)算電路參數(shù)：

最低直流輸入電壓：

Z為損耗分配因數(shù)，如果Z=1.0表示所有損耗都在副邊，如果Z=0表示所有的損耗都在原邊，在這里取Z=0.5表示原副邊都存在損耗。

步驟三、選擇磁芯材料：

鐵氧體材料具有電阻率高，高頻損耗小的特點(diǎn)，且有多種材料和磁芯規(guī)格滿足各要求，加之價(jià)格較其它材料低廉，是目前在開關(guān)電源中應(yīng)用最為廣泛的材料。同時(shí)也有飽和磁感應(yīng)比較低，材質(zhì)脆，不耐沖擊，溫度性能差的缺點(diǎn)。

采用的是用于開關(guān)電源變壓器及傳輸高功率器件的MnZn功率鐵氧體材料PC40,其初始磁導(dǎo)率為2300±25%，飽和磁通密度為510mT(25℃時(shí))/390mT(100℃時(shí)),居里溫度為215℃。選擇磁芯材料為鐵氧體，PC40。

步驟四、選擇磁芯的形狀和尺寸：

高頻功率電子電路中離不開磁性材料。磁性材料主要用于電路中的 變壓器、扼流圈(包括諧振電感器)中。

變壓器是整個(gè)電源供應(yīng)器的重要核心，所以變壓器的計(jì)算及驗(yàn)證是很重要的。

磁性材料(Magnetic materials)有個(gè)磁飽和問(wèn)題。如果磁路飽和，會(huì)導(dǎo)致變壓器電量傳遞畸變，使得電感器電感量減小等。對(duì)于電源來(lái)說(shuō)，有效電感量的減小，電源輸出紋波將增加， 并且通過(guò)開關(guān)管的峰值電流將增加。這樣可能使得開關(guān)管的工作 點(diǎn)超出安全工作區(qū)，從而造成開關(guān)管壽命的縮短或損壞。磁性材料的另一個(gè)問(wèn)題就是居里點(diǎn)溫度(Curie Temperature)。

在這一溫度下，材料的磁特性會(huì)發(fā)生急劇變化。特別是該材料會(huì) 從強(qiáng)磁物質(zhì)變成順磁性物質(zhì)，即磁導(dǎo)率迅速減小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí) 際上，它幾乎轉(zhuǎn)變?yōu)楹涂諝獯判镜刃?。一些鐵淦氧(ferrites)的居里 點(diǎn)可以低到130oC左右。因此一定要注意磁性材料的工作溫度。

簡(jiǎn)單的說(shuō)就是兩個(gè)問(wèn)題：

1、飽和——引起電感量減小2、居里溫度——磁導(dǎo)率減小

所以選擇變壓器的時(shí)候，我們需要充分考慮兩個(gè)問(wèn)題：

1、磁通量必須滿足，避免飽和。2、溫度不能太高。

所以我們需要先計(jì)算變壓器鐵心磁飽和的磁通量的最大值B(max)決定變壓器的材質(zhì)及尺寸:

依據(jù)變壓器計(jì)算公式

B(max)的計(jì)算結(jié)果，不要超過(guò)我們選型的鐵心的額定值，并進(jìn)行降額、并考慮外殼導(dǎo)致散熱不良帶來(lái)的影響，并留有余量。

B(max)的算法有兩種，面積相乘法(AP法)幾何參數(shù)法(KG 法)推導(dǎo)過(guò)程比較復(fù)雜和繁瑣，此處不進(jìn)行展開。

在這里用面積乘積公式粗選變壓器的磁芯形狀和尺寸。具體公式如下：

反激變壓器工作在第一象限，最高磁密應(yīng)留有余度，故選取BMAX=0.3T，反激變壓器的系數(shù)K1=0.0085(K1是反激變壓器在自然冷卻的情況下，電流密度取420A/cm2時(shí)的經(jīng)驗(yàn)值。)

磁芯型號(hào)：查EPC磁芯系列—EPC19，磁芯參數(shù)為：

磁芯有效截面積:Ae=22.7mm2

磁芯窗口面積:Aw=50mm2

磁路長(zhǎng)度:Le=0.461mm

無(wú)氣隙電感系數(shù):Al=940nH/T2

磁芯體積:Ve=0.9cm3

骨架繞線寬度:Bw=11.9mm

EPC磁芯主要為平面變壓器設(shè)計(jì)的，具有中柱長(zhǎng)，漏感小的特點(diǎn)。EPC19磁芯的AP值約為0.11cm4，稍大于計(jì)算所需的AP=0.09 cm4。若再選用小一號(hào)的磁芯EFD15,其AP值約為0.047 cm4，小于計(jì)算所需的AP=0.09 cm4，不符合要求，故選用EPC19磁芯。

步驟五、計(jì)算變壓器各繞組匝數(shù)、有效氣隙電感系數(shù)及氣隙長(zhǎng)度：

1、法拉第電磁感應(yīng)定律

電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，跟穿過(guò)這一電路的磁通變化率成正比，若感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)用 表示，則 ，這就是法拉第電磁感應(yīng)定律。若閉合電路為一個(gè) 匝的線圈，則又可表示為： 。式中， 為線圈匝數(shù)， 為磁通量變化量，單位 ， 為發(fā)生變化所用時(shí)間，單位為 ， 為產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，單位為 。

電感歐姆定律方程：V=L*(dI/dt)所以推導(dǎo)得到電流型方程：

N*A*B=L*I原邊繞組匝數(shù)：當(dāng)電感、電流、匝數(shù)、面積確定的情況下，磁飽和密度也就確定了。

換句話說(shuō)：我們?yōu)榱诉_(dá)到一定的磁飽和密度，需要增加匝數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)原邊的匝數(shù)滿足要求之后，我們通過(guò)匝數(shù)比關(guān)系，可以計(jì)算副邊匝數(shù)要求。

步驟六、選擇繞組導(dǎo)線線徑：

滿足磁通量的同時(shí)我們還需要考慮電流和空間的問(wèn)題。決定變壓器線徑及線數(shù):當(dāng)變壓器決定后，變壓器的Bobbin(骨架)即可決定，依據(jù)Bobbin(骨架)的槽寬，可決定變壓器的線徑及線數(shù)，亦可計(jì)算出線徑的電流密度，電流密度一般以6A/mm2為參考，電流密度對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)而言，只能當(dāng)做參考值，最終應(yīng)以溫升記錄為準(zhǔn)。

變壓器有效的骨架寬度：LX為原邊繞組層數(shù)，在這里采用4層。M為線圈每端需要的爬電距離，在這里取2mm。(爬電距離是沿絕緣表面測(cè)得的兩個(gè)導(dǎo)電零部件之間或?qū)щ娏悴考c設(shè)備防護(hù)界面之間的最短路徑。)骨架繞線寬度:Bw=11.9mm

計(jì)算原邊繞組導(dǎo)線允許的最大直徑(漆包線)：根據(jù)上述計(jì)算數(shù)據(jù)可采用裸線徑DIA=0.23mm的漆包線繞置，其帶漆皮外徑為0.27mm，剛好4層可以繞下。根據(jù)所選線徑計(jì)算原邊繞組的電流密度：計(jì)算副邊繞組導(dǎo)線允許的最大直徑(漆包線)：根據(jù)上述計(jì)算數(shù)據(jù)可采用裸線徑DIASS=0.72mm的漆包線繞置，但由于在溫度100℃、工作頻率為60KHz時(shí)銅線的集膚深度：

而0.72mm大于了2倍的集膚深度，使銅線的利用率降低，故采用兩根0.35mm的漆包線并繞。

自供電繞組線徑：由于自供電繞組的電流非常小只有5mA，因此對(duì)線徑要求并不是很嚴(yán)格，在這里主要考慮為便于與次級(jí)更好的耦合及機(jī)械強(qiáng)度，因此也采用裸線徑為0.35mm的漆包線進(jìn)行繞置，使其剛好一層繞下，減小與次級(jí)之間的漏感，保證短路時(shí)使自供電電壓降低。

步驟七、計(jì)算變壓器損耗和溫升

變壓器的損耗主要由線圈損耗及磁芯損耗兩部分組成，下面分別計(jì)算：1)線圈損耗：為100℃銅的電阻率為2.3×10-6(·cm );為原邊繞組的線圈長(zhǎng)度，實(shí)測(cè)為360cm;A為原邊0.23mm漆包線的截面積。 d為原邊漆包線直徑0.23mm，s為導(dǎo)線中心距0.27mm，為集膚深度0.31mm。原邊交流電阻與直流電阻比：由于原邊采用包繞法，故原邊繞組層數(shù)可按兩層考慮，根據(jù)上式所求的Q值，查得。為100℃銅的電阻率為2.3×10-6(·cm );為副邊繞組的線圈長(zhǎng)度，實(shí)測(cè)為80cm;A為副邊兩根0.38mm漆包線的截面積。 d為副邊漆包線直徑0.35mm，s為導(dǎo)線中心距0.41mm， 為集膚深度0.31mm。副邊交流電阻與直流電阻比：副邊繞組層數(shù)為一層，根據(jù)上式所求的Q值，查得：2)磁芯損耗：Pcv為磁芯功率損耗，由峰值磁通密度擺幅、工作頻率60KHz及工作溫度100℃可在廠家手冊(cè)上查出其損耗約為30mw/cm3。 Ve為EPC19的體積0.105cm3。總結(jié)：通過(guò)上述計(jì)算可知，當(dāng)環(huán)境溫度為85℃時(shí)，變壓器最高溫度在96℃左右，符合磁芯的最佳工作溫度。同時(shí)采用包繞法使得漏感僅為70uH(1KHz時(shí))/15uH(100KHz時(shí))，小于3%，效果較理想。