電源知識——反激變壓器設計過(guò)程

電源參數

根據功率、輸入輸出的情況，我們選擇反激電源拓撲。

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. 轉換效率高,損失小。

3. 變壓器匝數比值較小。

4. 輸入電壓在很大的范圍內波動(dòng)時(shí),仍可有較穩定的輸出。

設計步驟：

1、決定電源參數。

2、計算電路參數。

3、選擇磁芯材料。

4、選擇磁芯的形狀和尺寸。

5、計算變壓器匝數、有效氣隙電感系數及氣隙長(cháng)度。

6、選擇繞組線(xiàn)圈線(xiàn)徑。

7、計算變壓器損耗和溫升。

原理圖

步驟一、確定電源參數：（有些參數為指標給定，有些參數從資料查得）

注：電流比例因數：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、計算電路參數：

最低直流輸入電壓：

Z為損耗分配因數，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格滿(mǎn)足各要求，加之價(jià)格較其它材料低廉，是目前在開(kāi)關(guān)電源中應用最為廣泛的材料。同時(shí)也有飽和磁感應比較低，材質(zhì)脆，不耐沖擊，溫度性能差的缺點(diǎn)。

采用的是用于開(kāi)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(kāi)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)電源供應器的重要核心，所以變壓器的計算及驗證是很重要的。

磁性材料(Magnetic materials)有個(gè)磁飽和問(wèn)題。如果磁路飽和，會(huì )導致變壓器電量傳遞畸變，使得電感器電感量減小等。對于電源來(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(kāi)關(guān)管的峰值電流將增加。這樣可能使得開(kāi)關(guān)管的工作 點(diǎn)超出安全工作區，從而造成開(kāi)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 ) 從強磁物質(zhì)變成順磁性物質(zhì)，即磁導率迅速減小幾個(gè)數量級。實(shí) 際上，它幾乎轉變?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(mǎn)足，避免飽和。

2、溫度不能太高。

所以我們需要先計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:

依據變壓器計算公式

B（max）的計算結果，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）

幾何參數法（KG 法）

推導過(guò)程比較復雜和繁瑣，此處不進(jìn)行展開(kāi)。

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，最高磁密應留有余度，故選取B=0.3T，反激變壓器的系數K=0.0085（K1是反激變壓器在自然冷卻的情況下，電流密度取420A/cm時(shí)的經(jīng)驗值。）

磁芯型號：查EPC磁芯系列—EPC19，磁芯參數為：

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

步驟五、計算變壓器各繞組匝數、有效氣隙電感系數及氣隙長(cháng)度：

1、法拉第電磁感應定律

電路中感應電動(dòng)勢的大小，跟穿過(guò)這一電路的磁通變化率成正比，

電感歐姆定律方程：V=L*（dI/dt）

所以推導得到電流型方程：

N*A*B=L*I

原邊繞組匝數：

當電感、電流、匝數、面積確定的情況下，磁飽和密度也就確定了。

換句話(huà)說(shuō)：我們?yōu)榱诉_到一定的磁飽和密度，需要增加匝數來(lái)實(shí)現。

當原邊的匝數滿(mǎn)足要求之后，我們通過(guò)匝數比關(guān)系，可以計算副邊匝數要求。

步驟六、選擇繞組導線(xiàn)線(xiàn)徑：

滿(mǎn)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(xiàn)徑及線(xiàn)數:

當變壓器決定后，變壓器的Bobbin（骨架）即可決定，依據Bobbin（骨架）的槽寬，可決定變壓器的線(xiàn)徑及線(xiàn)數，亦可計算出線(xiàn)徑的電流密度，電流密度一般以6A/mm2為參考，電流密度對變壓器的設計而言，只能當做參考值，最終應以溫升記錄為準。

變壓器有效的骨架寬度：

L為原邊繞組層數，在這里采用4層。

M為線(xiàn)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得的兩個(gè)導電零部件之間或導電零部件與設備防護界面之間的最短路徑。)

骨架繞線(xiàn)寬度:Bw=11.9mm

計算原邊繞組導線(xiàn)允許的最大直徑（漆包線(xiàn)）：

根據上述計算數據可采用裸線(xiàn)徑DIA=0.23mm的漆包線(xiàn)繞置，其帶漆皮外徑為0.27mm，剛好4層可以繞下。

根據所選線(xiàn)徑計算原邊繞組的電流密度：

計算副邊繞組導線(xiàn)允許的最大直徑（漆包線(xiàn)）：

根據上述計算數據可采用裸線(xiàn)徑DIASS=0.72mm的漆包線(xiàn)繞置，但由于在溫度100℃、工作頻率為60KHz時(shí)銅線(xiàn)的集膚深度：

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

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

步驟七、計算變壓器損耗和溫升

變壓器的損耗主要由線(xiàn)圈損耗及磁芯損耗兩部分組成，下面分別計算：

1）線(xiàn)圈損耗：

為100℃銅的電阻率為2.3×10-6（·cm ）；為原邊繞組的線(xiàn)圈長(cháng)度，實(shí)測為360cm；A為原邊0.23mm漆包線(xiàn)的截面積。

d為原邊漆包線(xiàn)直徑0.23mm，s為導線(xiàn)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，故原邊繞組層數可按兩層考慮，根據上式所求的Q值，查得。

為100℃銅的電阻率為2.3×10-6（·cm ）；為副邊繞組的線(xiàn)圈長(cháng)度，實(shí)測為80cm；A為副邊兩根0.38mm漆包線(xiàn)的截面積。

d為副邊漆包線(xiàn)直徑0.35mm，s為導線(xiàn)中心距0.41mm，為集膚深度0.31mm。副邊交流電阻與直流電阻比：副邊繞組層數為一層，根據上式所求的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(chǎng)家手冊上查出其損耗約為30mw/cm3。

Ve為EPC19的體積0.105cm3。

總結：通過(guò)上述計算可知，當環(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。