开关电源高频变压器.doc

开关电源变压器设计 （草稿）
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+ PC) η>90% ((P2／P2+Pm)
功率因素﹕ Cosψ=0.6-0.7 (系统100W供电142W) Cosψ>0.90 (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
EMI濾波電路
整流濾波
隔離變壓器
整流濾波電路
PWM控制電路
間隙震蕩﹒功率因素改善﹒保護電路﹒IC

光電
耦合
電路

取樣﹒放大
AC
AC
DC
DC
SPS開關電源方框圖

分立元件

IC

（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 & TON)
五.常用电路形式: 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.激励方式:

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
单端反激励 (Flyback)
控制電路
Vo
Vi
Tr
单端正激励 (Forward)

-
Tr
+
Tr:Ton IRL IRL
开关变压器主要设计参数
静态测试参数:
RDC. L. LK. LDC. TR. IR. HI-POT. IVO-P. Cp. Z. Q.…………..
动态测试参数:
Vi. Io. Vo. Ta. U. F Dmax………….
材料选择参数
CORE: P. Pc. ui. AL. Ae. Bs…….
WIRE: Φ ℃ . ΦImax. HI-POT……..
BOBBIN: UL94 V--O.( PBT. PHENOLIC. NYLON)……….
TAPE: ℃ . δh. HI-POT……..
制程设置要求
PN…(SOL.SPC).PN//PN.PN-PN. SN(SOL.SPC).Φn. Mtape:δ&w TAPE:δ&w. V℃……..
三.反馈方式:
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

IC
S1=120V
S2=5V
S1=85V
S3= +20V
S4= +12V
P=300V
P=300V
220V*√2-VD
F+=5V
S2=26V
S3=16V
F-= 12V
S1=120V
激勵
取樣
分立元件

F＋=8V

四.控制方式: PWM: PFM

Ton恒定
T可變
Ton可變

T恒定
脉冲宽度调制 脉冲频率调制

五.常用电路形式:
单端反激励FLYBACK 单端正激励 FORWARD
控制電路
Vo
Vi
Tr
控制電路
Vo
Vi
Tr
Ton
Rfz
Toff
Rfz

开关变压器主要设计参数
静态测试参数:
RDC. L. LK. LDC. TR. IR. HI-POT. IVO-P. Cp. Z. Q.…………..
动态测试参数:

Vi. Io. Vo. Ta. U. F Dmax………….

材料选择参数
CORE: P. Pc. ui. AL. Ae. Bs…….
WIRE: Φ ℃ . ΦImax. HI-POT……..
BOBBIN: UL94 V--O.( PBT. PHENOLIC. NYLON)……….
TAPE: ℃ . δh. HI-POT……..
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: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

单端反激励FLYBACK调节TON使能量守恒定1/2*LP*IPK2=1/2*LS*ISK2

Ton Br Bm
I
2Bac

Idc
H
B
Bdc
Bm
Br
Toff Bm Br
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

B B
Bm

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=1／2LIpk2*f (η) Vimin=Ipk*Lp／Ton
Po／Vimin Ipk=2Po／DmaxVimin ( Po=VoIo)

Vimin*Ton=Ipk*Lp Lp=Vimin*Dmax ／Ipk*f

Np=Lp*Ipk ／Ae*ΔB Np= Δ B*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+Dmax K=Vimax/Vimin

单端反激励(Flyback)设计例题一
条件﹕
Vi =170V－270V ﹐f= 30KHZ Vo= 5V, Io=20A, Dmax=0.45(设计取值)
设计﹕
1) Vi min=170*1.4-－20=218V, Vi max=270*1.4－20=358V
Vi min=170*√2-(VD.ΔU) Vi max=270*√2-(VD.ΔU) Vi min= (ViACMIN)2- 2Po(1/2fL -tc)
2) Ipk=2*5*20／218*0.45=2.04A ηCIN
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 选择 EER42／15 Ae=183mm2(1.83cm2) Bs=390mT(3900Gs)
Core=g/w(f=20kHzREF)
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
r2*π (2.58/2)2*3.14=5.225 选择19#,Φ=0.98*7 (0.98/2)2*3.14*7=5.277（4Pin并绕）
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=91.32T . Np=(0.0016*2.04／1.83*1950)*108=91.46T
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*2.042*30=96W
Ns=(VO+VD)*(1-Dmax)*Np／Vimin* Dmax P=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﹕

单端正激励(FORWARD)设计例题一
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: 46.4mm2. 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, 调整为6TS
3): Ns= Np *(Vo+VD) / (Vi*δmax)
= 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.

单端正激励(FORWARD)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: 87.4mm2. 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=2.09 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﹐
（3）
（2）
P
S
（1）
要求电流较大﹐漏感较小﹒P&S均可采用分层绕法﹒

（1）
（3）

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 Φ0﹒21 X10X2 25T

2－3 Φ0﹒35 X7 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﹒
（3）
（2）

例三﹐EER28 DVD主功率变压器
3--4 Φ 0.40 25T
17--15 Φ0.40X2 4T
4--2 Φ 0.40 25T
14--13----------------------
2--1 Φ 0.40 25T
3--4 Φ 0.40 25T
17--15 Φ0.40X5 4T
4--2 Φ 0.40 25T
14--13----------------------
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MARGINTAPE爬电耐压距离﹕ 边缘安胶W=3mm可根据Vi电压W1.5－2.mm﹒
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﹒
膠帶耐壓測試
空气爬電耐壓測試

0.065mm
2mm
2.0KV
CS2670
耐壓儀
鐵平板

4﹒0KV

鐵平板

CS2670
耐壓儀

常規安全距离
MARGIN TAPE 3mm

常規安全距离
MARGIN TAPE 6mm

wire-core
TUBE保護

woil-woil
爬電距离

woil-woil
TUBE保護

3）开关变压器的参数分析
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

区
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＝0﹒09 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=r2π b= r2π*x x= x股线）满足高频负载电流﹐降低变压器温升﹒
2. 关于Lk与Cp是一对矛盾﹐一般要求变压器平衡Lk与Cp参数﹐Lk不要追求愈小愈好﹐Cp的增加会引起噪声的增加﹒

开关变压器GAP&LK
LEAKAGE FLUX

GAP儲蓄能量
B
B
1 / 2 L I2= * /uo0.4π* Ae Ig
GAP
Φ1
MUTUAL FLUX
Φ2
ΦC
SECONDARY
PRIMARY

B

儲能
體積
磁場
磁感

GAP氣隙長度

Ig=0.4πL I 2 / 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﹒