零件教材(第十一章)-开关电源变压器-1

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一、 基本介绍 开关电源变压器是开关电源的主要组成元件，它的作用主要是进行功 率传送，为整机提供所需的电源电压以及实现输入和输出的隔离。开关电 源变压器的核心是 ER 型锰锌铁氧体软磁材料磁芯。通过软磁材料较复杂 的电磁特性进行电 磁 电的能量转换来实现器件的功能。 1、相关的基本公式： a. V=L.di/dt b. P=V.I=1/2.L.i2.f i: 流过电感绕组的峰值电流 f:工作的频率(电流的频率) c. V.t=N.A.B N: 绕组的匝数 A: 磁芯的有效截面积(中柱截面积) B: 磁通密度 d. Vout=δ/(1-δ).Ns/Np.Vin Vin: 初级绕组的电源电压 Vout: 次级绕组的输出电压 Ns: 次级绕阻匝数 Np: 初级绕阻匝数 δ : 占空比δ=ton/(ton+toff) =ton/T e. 初级电感值的确定 i (1) V=Lp.di/dt or V. t=Lp. i V: 加在电感两端之电源电压 i t: 开关管导通时间 i: 流过电感之电流峰值(电流为锯齿波电流) 0 t (2) V. t=Np.Ae.B t Np: 初级电感匝数 Ae: 有效横截面积 B : 使用之磁通密度 B Bs Bm ΔB Br 0 BS >Bm =Br +ΔB H

《零件教材第十一章》内 容：开 关 电 源 变 压 器 简 介(3) V= .Be.Ae.N / 2 Be:为有效磁感应强度峰值 (4) L=µ o.µ e.N2/C1 µ o:磁芯的起始导磁率 µ e:磁芯的有效导磁率 C1:磁芯的尺寸因子 C1=le/Ae (5) Lp=Vp2.δ2.T/(2.Pp) (6) Ip=Vp.ton/Lp (7) NP=Ip.Lp/S(Bm-Br) X108 (8) H=0.4π.Np.Ip/le≤Hmax 开关电源变压器的初级绕组电感量与匝数是一对相关连的参数，在 设计之初就应对电感量和匝数作一合理的选择。现对其对应关连关系作如 下说明： 由 V= .Be.Ae.N / 2 式可知，当外加电压和尺寸一定时，(BeN)与 f 成反比。磁芯损耗与 fBen 成正比，(n 是斯坦梅兹指数，n 决定于磁芯的尺 寸及工作条件其值在 1.9~2.9 之间),当磁芯损耗一定时，Be 与 f 1/n 成反比。 由此可见，若要保持磁芯损耗不变，则随着工作频率的下降，必须提高磁 感应强度或增加线圈的匝数。在这种情况下，主要应考虑磁芯的损耗，同 时为了使变压器的特性及其效率达到最佳状态，必须使磁芯损耗和绕组损 耗之间满足一定的比例关系。 工作频率降低时，磁感应强度增大，此时应考虑的主要问题是磁芯的 饱和现象。如果工作频率继续降低，为了保持 Be 值不变，必须增加绕组 的匝数，这样就要使磁芯的损耗相对减少，绕组的损耗相对增大，总损耗 增大，温度升高。工作频率更低时，绕组的电阻和漏电感要进一步增大， 引起输出电压不稳定。所以在低于某一最低频率时设计变压器应考虑的主 要问题是输出电压的稳定问题。 并联电感(初级电感)通常要求大于某一特定值，如果电感量太小，将 使磁化电流增大，而

电感量太大时，将引起漏电感较大之缺陷，且使绕组 的电阻增大。 根据 L= µ o.µ e.N2/C1 V= .Be.Ae.N/ 2 可得 N2=2V2/ 2 Be2Ae2=Lle/ µ o.µ e.Ae 所以 Aele=Ve=2µ o.µ e.V2/ 2LBe2 (Ve:体积) 为了避免磁芯饱和，降低磁芯损耗必须将 Be 限制在某一数值。并根据 2 PAGE 2 OF 8

《零件教材第十一章》内 容：开 关 电 源 变 压 器 简 介PAGE 3 OF 8V= .Be.Ae.N/ 2 确定匝数，再根据 L= µ o.µ e.N2/C1 确定初级电感量，然后估计漏电感及 绕组的电阻。如果这些参数不能满足技术要求，必须改用较大尺寸的磁芯。若电感量 是考虑的主要参数，则应根据要求的电感量确定匝数，并据此确定磁感应强度。 ⑥ 次级匝数 NS1、NS2 之计算 V1out/Vin=δ/(1-δ).N1/Np (V1+VD1 )/Vp=δ/(1-δ).N1/Np V1:次级绕组 1 的电感二端的电压 VD1:次级绕组 1 整流二极管二端的电压 同理： (V2+VD2)/Ns2=(V1+VD1)/Ns1 可求出其他绕组的匝数 ⑦ gap 计算 由变压器的最大输入能量 PP=IpU1=2BmfAeβAw j Х10-8 可知 Bm:为最大磁通密度 f :为工作频率 Ae :为磁芯有效横截面积 β :为导线占有率 Aw : 为窗口总面积 j :为电流密度 Bm 越高，功率就有可能做得大，在一定功率下就有可能将变压器体积减小。而 Bm 的 选择是受 Bs 的限制的，因为 Bm 接近 Bs 时磁化电流迅速上升，µ e 也下降，所以要求 Bs 要高。只有 Bs 高，才能有较大的 Bm 选择余地。这时才有可能选用较大的 B=Bm-Br, 在同样的电压和工作频率下才有可能就变压器的线圈匝数减少，磁芯尺寸减小，变压 器的漏电感也减小，有可能更有效利用磁芯。当然增加 B 的另一个途径是减小 Br,一 般采用开气隙的方法，或在气隙中加一反向的偏置磁场。一般要求 Bs>3B 工作。 Bmax≥B 工作，Bmax=VpХ104/kfNpAe(k:正弦波形取 4.44,矩形波取 4.0) Bmax 取 Bsat/2 为最佳。

Х

有 Gap 之 B-H 曲线

lg无 Gap 之 B-H 曲线

《零件教材第十一章》内 容：开 关 电 源 变 压 器 简 介lg=Ae.N2/0.08L or lg=0.4 .π. Lp.IP2/(Ae.Bmax2) Ae: 有效横截面积 N2: 绕组的匝数 L : 初级电感量 (1) 若 gap 以磨去中柱的空隙作为 gap,则其距离为 lg (2) 若 gap 为利用垫片阻隔上下 E 型 core,则其距离为垫片之厚度的 3 倍。 二者优劣：(1)种耗时，研磨须小心，不易加工,但漏感小。 (2)种省时、方便，易调整，但漏感大⑧ wire size 之计算 (1) 先求流过线圈的 Irms

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Ip Irms D Irms=Ip D/3 Ip: 峰值电流 D: duty cycle (2) 可允许的 wire loss(wattage)求出 wire 之阻抗 P/I2rms=Ω (3) 根据 wire 的特性参数(电流密度等)选择一合适线径的 wire d=1.13 Ip/j or do= Aw.Fp/N j :电流密度 Aw:绕组的截面积 Fp :绕组的占空因子(0.7~0.9) N :绕组的匝数⑨ 漏电感 Le Le=4π.β.N2.lw/Sw β :耦合系

数 N : 为初级匝数 lw:绕组平均周长 Sw:绕组长度 漏电感的存在使输出脉冲电压波形产生失真，产生尖峰干扰。一方面漏电感本身因 为储能造成损耗；另一方面漏电感对开关管造成严重的影响，当开关管导通时，漏 感中也储存能量。当截止时漏感感应成相应的电压使 Ue(初级电感二端的电压)下 降，使 Uce(开关管集电极电压)出现附如过冲，这就是尖峰干扰的尖峰电压。它不 但增加了开关管的关断损耗，还将严重缩短开关管的寿命，从而影响开关电源的可 靠性。

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漏电感的大小与变压器的绕组结构、初次级耦合系数、初级电感有关。 初级电感越小,耦合的越紧则漏感就越小，但要综合考虑变压器的功率、 耐压、温升、安全特性、可靠性；否则一味的追求波形好、干扰小，而 忽视了安全、可靠、耐久等优点也是不切合实际的。 ⑩ 磁芯尺寸的选择 Ap=Aw.Ae=Pa .106/2Bmf j n Ku (Cm4) Aw:磁芯窗口面积 Ae:磁芯截面积 Pa:变压器计算功率(对于反激式，Pa 取 2 倍的 Po) Bm:最大磁通密度 j :电流密度，一般取 j=2.5~3A/mm2 n :变压器初次级的匝比 f :工作频率 Ku:窗口的利用率，取 Ku=0.2~0.3

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二、基本架构组成： 1. 材料组成 图解见附页 a. CORE b. BOBBIN c. TAPE d. WIRE e. COPPER FOIL f. PIN g.挡墙 TAPE h.挡墙 TAPE 2. 材料选择 a. core 的选择 ①core 的型号 core 的型号众多有 EE 型、U 型、X 型、P 型、EP 型、EC 型(ER 型) 目前开关电源变压器一般选取 ERL 型 core。 ②core 的尺寸选择 core 的窗口尺寸， 有效横截面积。 长度等应根据变压器的功率， Gap 绕组结构，设计要求等进行合理的选择。 b. core 的特性 开关电源变 …… 此处隐藏：3480字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……