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开关电源变压器计算公式的最全整理

思睿达小妹妹 来源:思睿达小妹妹 作者:思睿达小妹妹 2022-03-16 12:56 次阅读

电子专业里,经常能看到变压器的身影,变压器是一种供电所常用的机器,它的主要作用是改变电压。变压器的工作原理其实很简单,就是通过电磁感应让交流电的电压发生改变。其主要构件包括初级线圈、次级线圈、铁芯。其实变压器的作用不只是改变电压那么简单,它的作用还包括电压变换电流变化等。

poYBAGIxbg2AZMpiAAExT0Uw4Cg295.png

接下来,小编为大家整理了开关电源变压器相关的计算公式,赶紧收藏起来吧!

1、确定系统规格

最小AC输入电压:VACMIN,单位:伏特。

最大AC输入电压:VACMAX,单位:伏特。

输入电压频率:fL,50Hz或者60Hz。

输出电压:VO,单位:伏特。

最大负载电流:IO,单位:安培。

输出功率:PO,单位:瓦特。

电源效率:η,如无数据可供参考,则对于低电压输出(低于6V)应用和高电压输出应用,应分别将η设定为0.75~0.79和0.8~0.89。

计算最大输入功率:PIN,单位:瓦特。

pYYBAGIxbg6AISY_AAAFXiYVRl0678.png

2、直流电压范围(VMIN、VMAX)

最小直流输入电压VMIN

poYBAGIxbg6ACnkoAAAO_uQ9KTk887.png

其中,

fL为输入交流电压频率(50Hz/60Hz);

tC为桥式整流大额导通时间,如无数据可供参考,则取3ms;

所有单位分别为伏特、瓦特、赫兹、秒、法拉第。

最大直流输入电压VMAX

pYYBAGIxbg-AKXTBAAAGsz1_Yrw347.png

3、相应工作模式和定义电流波形参数KP

poYBAGIxbhCAXELwAABjFWvLeio467.png

图2.2 电流波形与工作模式

当KP≤1,连续模式,如图2.2a;

pYYBAGIxbhCATVdGAAAE-e8l7xg182.png

其中:IR为初级纹波电流,IP为初级峰值电流。

当KP≥1,非连续模式,如图2.2b;

poYBAGIxbhGAGhtYAAAF8pP8-ws143.png

在连续模式设计中,宽电压输入时,设定KP=0.4;230V单电压或者115V倍压整流输入时,设定KP=0.6。在非连续模式设计中,设定KP=1。

4、确定反射的输出电压VOR和最大占空比DMAX

反射电压VOR设定在80V~110V。

连续模式时计算DMAX:

pYYBAGIxbhGAAF8IAAAJhoDFsmM295.png

非连续模式时计算DMAX:

poYBAGIxbhGAOlnCAAAKLYBuCFE118.png

其中,设定CR5842外接功率MOSFET漏极和源极VDS=10V。

5、用产品手册选择磁芯材料,确定ΔB大小

选择有磁芯材料应该考虑高Bs,低损耗及高ui材料,还要结合成本考量;见意选项用PC40以上的材质。为了防止出现瞬态饱和效应以低ΔB设计:

pYYBAGIxbhKAM5XJAAALAoHeIzU925.png

式中:ΔB为最大磁通密度摆幅,Bs为饱和磁通密度,Br为剩磁,BM为最大磁通密度,一般取在0.2~0.3范围之内,若BM>0.3T,需增加磁芯的横截面积或增加初级匝数NP,范围之内。如BM<0.2T,就应选择尺寸较小的磁芯或减小初级匝数NP值。

6、确定合适的磁芯

实际上,磁芯的初始选择肯定是很粗略的,因为变量太多了。选择合适磁芯的方法之一是查阅制造商提供的磁芯选择指南。如果没有可参考资料,可采用下面作为参考。

poYBAGIxbhOAVfI-AAANDkcxUqg760.png

传递功率:

pYYBAGIxbhOAU0TgAAAHYx9nl5A057.png

电流密度:

poYBAGIxbhSAdDjbAAAIPzaHgKs871.png

绕组系数:

pYYBAGIxbhSABnTwAAAHB30EBj4117.png

式中,AP单位为mm4,Aw为窗口面积,Ae为磁芯的截面积,如图2.3。ΔB为正常操作状态下的最大磁通密度(单位:特拉斯(T))。为了防止磁芯因高温而瞬间出现磁饱和,对于大多数功率铁氧体磁芯的尺寸越大Ae越高,所做的功率就越大。

poYBAGIxbhSAIGkUAAAL2UZO3n8721.png

图2.3:磁芯窗口面积和截面积

7、估算DCM/CCM临界电流IOB

pYYBAGIxbhWALsLJAAAIFxf_67Y833.png

8、计算初级绕组与次级绕组匝数比

poYBAGIxbhWAbiHuAAASO5WlmWc152.png

其中,NP和NS分别为初级侧和次级侧匝数。VO为输出电压,VF为二极管正向电压:对超快速PN结二极管选取0.7V,肖特基二极管选取0.5V。VDCMIN为最小输入直流电压,DMAX为设置的最大占空比, VOR为反射电压。

9、计算DCM/CCM临界时副边峰值电流ΔISB:

pYYBAGIxbhWAWh8iAAAHuVf99R0007.png

10、计算CCM状态下副边峰值电流ΔISP:

poYBAGIxbhaARAjxAAAJaxC7FKA076.png

11、计算CCM状态时原边峰值电流ΔIPP:

pYYBAGIxbhaAajZVAAAF8qdI63Q279.png

12、计算副边电感LS及原边电感LP:

poYBAGIxbheAWGHgAAANt5ZGPgE996.png

由于此电感值为临界电感,若需要电路工作于CCM则可增大此电感值,若需要工作于DCM则可适当调小此电感值。

13、确定原边最小NP匝数与副边NS匝数:

pYYBAGIxbheAJLKwAAAHlz3S8Jw704.png

其中单位分别为特拉斯、安培、微亨、平方厘米,,如无参考数据,则使用

poYBAGIxbheANYSRAAAGPAL741A203.png

以特拉斯(T)为单位。

14、次级绕组和辅助绕组

初级绕组与次级绕组匝数比:

pYYBAGIxbhiACfaUAAAHkp8-kDA704.png

其中,NP和NS分别为初级侧和次级侧匝数。VO为输出电压,VD为二极管正向电压:对超快速PN结二极管选取0.7V,肖特基二极管选取0.5V。

然后确定正确的NS,使得最终的NP不得小于NP,MIN。有的时候最终的NP比NP,MIN大得多,这就需要更换一个大的磁芯,或者在无法更换磁芯时,则通过增加KP值来减小LP,这样,最终的初级侧匝数也会减小。

辅助绕组匝数

poYBAGIxbhiAXQ0jAAAIjQW2nPQ834.png

其中,VDD为辅助绕组整流后的电压,VDB为偏置绕组整流管正向电压;

考虑到系统在满载和空载转变瞬间,由于能量瞬间导致VDD下冲误触发UVLO,在系统允许的输入电压范围内且输出为空载时,建议VDD按13V来计算。

确定磁芯气隙长度:

pYYBAGIxbhmAGMmeAAAMPLlfqvo080.png

其中,Lg单位为毫米,Ae单位为平方厘米,AL为无间隙情况下的AL值,单位为纳亨/圈2,LP单位为微亨。

通常不推荐中心柱气隙磁芯使用小于0.1 mm的值,因为这样会导致初级电感量容差增大。如果您需要使用小于0.1 mm的Lg值,请咨询变压器供应商以获得指导。

15.根据有效值电流来确定每个绕组的导线直径。

当导线很长时(>1m),电流密度可以取5A/mm2。当导线较短且匝数较少时,6~10A/mm2的电流密度也是可取的。应避免使用直径大于1mm的导线,防止产生严重的涡流损耗并使绕线更加容易。对于大电流输出,最好采用多股细线并绕的方式绕制,减小集肤效应的影响。

检查一下磁芯的绕组窗口面积是否足以容纳导线。所需的窗口面积由以下公式给出:

poYBAGIxbhmAWs9PAAAF-Lj1ThA703.png

式中,AC为实际的导体面积,KF为填充系数。填充系数通常为0.2~0.3。

关于思睿达微电子

思睿达是专注于ADCDACPoE和DC / DC 芯片级解决方案的高科技企业,目前同步推广启臣微全系列产品,希望将启臣15年在电源行业这份积淀,这份坚持发扬光大。思睿达同时也可以提供芯片级定制服务。

审核编辑:符乾江

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