开关电源变压器设计.docx

开关电源变压器设计
1. 前言
2. 变压器设计原则
3. 系统输入规格
4. 变压器设计步骤
4.1选择开关管和输出整流二极管
4.2计算变压器匝比
4.3确定最低输入电压和最大占空比
4.4反激变换器的工作过程分析
4.5计算初级临界电流均值和峰值
4.6计算变压器初级电感量
4.7选择变压器磁芯
4.8计算变压器初级匝数、次级匝数和气隙长度
4.9满载时峰值电流
4.10 最大工作磁芯密度Bmax
4.11 计算变压器初级电流、副边电流的有效值
4.12 计算原边绕组、副边绕组的线径，估算窗口占有率
4.13 计算绕组的铜损
4.14 变压器绕线结构及工艺
5. 实例设计—12W Flyback变压器设计

1. 前言
◆ 反激变换器优点：
电路结构简单
成本低廉
容易得到多路输出
应用广泛，比较适合100W以下的小功率电源

◆ 设计难点
变压器的工作模式随着输入电压及负载的变化而变化
低输入电压，满载条件下变压器工作在连续电流模式 ( CCM )
高输入电压，轻载条件下变压器工作在非连续电流模式 ( DCM )

2. 变压器设计原则
◆ 温升
安规对变压器温升有严格的规定。Class A的绝对温度不超过90°C；
Class B不能超过110°C。因此，温升在规定范围内，是我们设计变压器必须遵循的准则。

◆ 成本
开关电源设计中，成本是主要的考虑因素，而变压器又是电源系统的重要组成部分，因此如何将变压器的价格，体积和品质最优化，是开关电源设计者努力的方向。

3. 系统输入规格
输入电压：Vacmin~ Vacmax
输入频率：fL
输出电压：Vo
输出电流：Io
工作频率：fS
输出功率：Po
预估效率：η
最大温升：40℃

4.0变压器设计步骤
4.1选择开关管和输出整流二极管
开关管MOSFET:耐压值为Vmos
输出二极管:肖特基二极管
最大反向电压VD
正向导通压降为VF

4.2计算变压器匝比
考虑开关器件电压应力的余量(Typ.=20%)
开关ON ： 0.8·VD > Vin max / N + Vo
开关 OFF ： 0.8·VMOS > N·( Vo+ VF) + Vin max
匝比 ： Nmin < N < Nmax

4.3 确定最低输入电压和最大占空比

输入滤波电容：2µF~3µF/W
最低输入电压 ( 假设tc=3ms )

Vin min = (2Vac min)2-2 × Pin ( T2 - tc )Cin

最低输入电压，最大功率时，占空比最大Dmax

Dmax = N ∙ ( Vo+ VF )N ∙ Vo+ VF + Vin min

4.4 反激变换器的工作过程分析
低输入电压时，负载从轻载到重载，变压器经历从DCM →BCM →CCM的过程
高输入电压时，负载从轻载到重载，变压器一直工作在DCM

4.5 计算初级临界电流均值和峰值
按照最小输入电压，最大输出功率(Pomax)的条件计算
Po = 1/3Po max时，变换器工作在BCM
Po < 1/3Po max时，变换器工作在DCM
Po > 1/3Po max时，变换器工作在CCM

BCM模式下，最小输入电压时的平均输入电流

Iin-avg = 13 ∙ PinVin min
变压器初级临界电流峰值

∆Ip1 = Ipk1 = 2 × Iin-avgDmax

4.6 计算变压器初级电感量
最低输入电压，BCM条件下，最大通时间

Ton max = 1fs × Dmax

变压器初级电感量

Lp = Vin min × Ton max∆Ip1

4.7 选择变压器磁芯
基于输出功率和开关频率计算面积乘积，根据面积乘积来选择磁芯

APp = Po × 1062 × η × Ko × Kc × fs × Bm × j

Ko是窗口的铜填充系数：取 Ko=0.4
Kc是磁芯填充系数；对于铁氧体磁芯取 Kc=1
Bm是变压器工作磁通密度，取 Bm≤12 Bsat
j是电流密度，取 j = 4.2A/mm2

考虑绕线空间，尽量选择窗口面积大的磁芯，查表选择Aw和Ae

4.8 计算变压器初级、次级匝数、辅助绕组匝数和气隙长度
初级绕组的匝数

Np = Vin min × ton maxAe × Bm×108

增加或者减小匝数只会分别引起磁芯损耗减小或增加
在100kHz条件下，损耗与B2.86成正比，匝数减小5%会使磁芯损耗增加15%

次级绕组匝数 Ns = Np / N
辅助绕组匝数 Ncc = ( Vcc + 1 ) × Ns / ( Vo+ VF )

气隙长度 : lg = 0.4 π × Ae × N2Lp

4.9 满载时峰值电流
CCM时，Ton max固定不变
输入电压不变，BCM的Ton max等于CCM的Ton max
Ton max内，电感电流线形上升增量 ∆Ip1 = Vin min × Ton maxLp = ∆Ip2
低输入电压，满载条件下 Po = 12 ×η× Lp × (I2pk2 – I2pk0 ) × fs
变压器初级峰值电流 Ipk2 = Po / ηVin min × Dmax+ ∆IP22

4.10 最大工作磁芯密度Bmax
Bmax = Lp × Ipk2Ae × Np×108 < Bsat
如果Bmax<Bsat，则证明所选择的磁芯通过，否则应重新选择
4.11 计算变压器初级电流、副边电流的有效值

梯形波电流的中值 ：Ia = Ipk - ∆I2

电流直流分量 ：Idc = Dmax × Ia

电流有效值 ： Iprms = IaDmax

电流交流分量 ：Iac = IaDmax(1-Dmax)

4.12 计算原边绕组、副边绕组的线径，估算窗口占有率
导线的横截面积
自然冷却时，一般取电流密度 j = 4A / mm2
初级绕组：Sp = Iprms ( A ) / 4 ( A / mm2 )
副边绕组：Ss = Isrms ( A ) / 4 ( A / mm2 )

线径及根数
集肤深度 δ= 6.61 / fs cm

导线线径不超过集肤深度的2倍，若超过集肤深度，则需多股并绕
根据安规要求考虑加一定宽度的挡墙

窗口占有率 K0Aw ≥ Np ×π×Rp2 + Ns ×π×Rs2 + Ncc ×π×Rcc2

4.13计算绕组的铜损
根据导线的电阻和集肤深度，确定每个绕组的铜损耗
总损耗一定要小于预算损耗，温升经验公式

∆T ≈ 800 × Ploss34 × Ae×Aw

4.14变压器绕线结构及工艺
骨架的选取 ：累计高度、宽度
绕法 ： 初级和次级交错式(三明治)绕法：漏感小

5. 设计实例—12W开关电源变压器设计
5.1 系统输入规格
输入电压：90Vac~265Vac
输入频率：50Hz
输出电压：12V
输出电流：1.0A
输出功率：Po=12W
开关频率：50kHz
预估效率：0.75
输入最大功率：Pin=16W
变压器最大温升：40℃

5.2 开关管MOSFET和输出整流二极管
开关管MOSFET耐压: Vmos=600V
输出二极管：反向压降VD=100V ( 正向导通压降VF=0.5V )

5.3计算变压器匝比
0.8 ∙ VD > Vin max / N + Vo è 0.8 × 100 > 375 / N +12

0.8 ∙ Vmos > N ∙ ( Vo + VF ) + Vin max è 0.8 × 600 > N × ( 12 + 0.5 ) +375

5.5 < N < 8.4

取 N = 6
5.4 最低输入电压和最大占空比
选择Cin=22µF
最低输入电压：

Vin min = (2Vac min)2- 2 × Pin ( T2 - tc)Cin = 1272- 2 ×16 ×7 × 10-322 × 10-6 ≈77V

最大占空比 ：
Dmax = N ∙ (Vo+ VF )N ∙ Vo+ VF + Vin min = 6 × 12.56 ×12.5+77 = 0.49

5.5 计算初级临界电流均值和峰值
Iin-avg = 13 ∙ PinVin min = 163 ×77 = 0.07 A

∆Ip1 = Ipk1 = 2 × Iin-avgDmax = 2 ×0.070.49 = 0.285 A

5.6最大导通时间和初级电感量
最大导通时间 ： Ton max = 1fs × Dmax = 9.8 μs

变压器初级电感量 ： Lp = Vin min×Ton max∆Ip1 = 77 ×9.8 × 10-60.285 ≈ 2.7mH
5.7 变压器磁芯面积
APp = 12 × 1062 ×0.75 ×0.42 × 50 × 103 ×1600 ×4 = 0.066 cm2

( 铁氧体磁芯 Bsat = 3900G , 取 Bm = 1600G )

查表
EF20 Ae = 0.335 cm2，Aw = 0.6048 cm2

AP = Aw * Ae = 0.202 cm2 > 0.066 cm2
5.8 变压器初级匝数、次级匝数、辅助绕组匝数和气隙长度

Np = 77 ×9.8 × 10-60.335 ×1600×108 = 140.7 取 Np = 140 Ts

Ns = 140 / 6 = 23.3 Ts 取 Ns = 23 Ts

Ncc = 19 × 23 / 12.5 ≈ 35 Ts

lg = 0.4π ×33.5 × 14022.6 = 0.2 mm

5.9 满载时峰值电流、最大工作磁通密度

Ipk2 = Po / ηVinmin×Dmax + ∆Ip2 = 1677 ×0.49 + 0.14 = 0.56 A

Bmax = Lp ×Ipk2Ae ×Np = 2.6×10-3 × 0.560.335 ×140×108 = 3100G < 3900G

5.10 变压器初级电流、副边电流的有效值

原边各电流：
电流中值 Ipa = 0.42A 电流有效值 Iprms = 0.29A
电流直流值 Ipdc = 0.20A 电流交流值 Ipac = 0.208A

副边各电流：
电流直流值 Isdc = 1A 电流有效值 Isrms = 1.38A
电流中值 Isa = 1.92A 电流交流值 Iac = 0.959A

5.11 计算原边、副边绕组的线径，估算窗口占有率
线径及根数
集肤深度 δ= 6.61 / fs = 6.61 / 50 × 103 = 0.29 cm

导线的横截面积：
电流密度 j = 4.2~5A / mm2
初级绕组：Sp=0.068mm2→Φ0.25mm ×1P→RDC = 4.523mΩ/cm ( 100℃ )
副边绕组：Ss = 0.328mm2→Φ0.40mm×2P→RDC = 0.892mΩ/cm ( 100℃ )
Vcc绕组：Scc = 0.1/4.2 = 0.024mm2 →Φ0.1mm×2P
窗口占有率：0.4 × 60.48 ≥ 140 × π× 0.1252 + 23 × π× 0.22 + 35 ×π× 0.082
24.2 ≥ 13.6 OK

5.12 计算绕组的铜损
平均匝长 lav = 23.5 mm
各绕组绕线长度：
原边 lNp = 140 × 23.5 = 329 cm
副边 lNs = 23 × 23.5 = 54.0 cm

各绕组直、交流电阻：
原边Rpdc=1.45Ω Rpac=2.38Ω
副边Rsdc=0.024Ω Rsac=0.038Ω
Vcc绕组电流过小，忽略绕组损耗

各绕组损耗：
Pu = 0.30W è Pp= Iprms 2× Rpdc+ Ipac2 × Rpac=0.22WPs= Isrms 2× Rsdc+ Isac2 × Rsac=0.08W

5.13 计算绕组的铁损
计算铁损：查磁芯损耗曲线，PC40在 ΔB = 0.15T时为80mW / cm3
铁损 PFe = 80 × 1.5 = 0.12 W
估算温升
总损耗 Ploss = 0.12 + 0.30 = 0.42 W

经验公式 ∆T ≈ 800 × 0.4234 × 33.5 ×60.48 = 22℃ < 40℃

设计 OK

5.14 变压器绕线结构及工艺
绕线宽度高度累计
查EF20 Bobbin 绕线宽度W=12.1mm，高度H=2.9mm
0.25mm，最大外径0.275mm 每层35T，W1=9.62mm
0.40mm，最大外径0.52mm 每层23T，W2=11.9mm
0.10mm，最大外径0.13mm 每层35T，W3=9.1mm(0.1mm×2P)
总高度 = 0.275×4 + 0.52 × 2 + 0.13 × 3 + 0.03 × 7 = 2.74 mm

绕线结构次级→初级→次级