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最全开关电源变压器的计算公式,给大家整理好了

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发表于 2022-4-21 16:13:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 思睿达小妹妹 于 2022-4-21 16:37 编辑 0 D% e* P3 u; x- f- ~, d; B- g

" m- w" A' Z. U! J6 k3 M6 d

在电子专业里,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。


9 S& c- C% D; \

- D9 F  R( _5 B5 Z1 F) d: f# v, M! ?5 b! k. X7 G8 Q

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 o! R: d3 W. k' x2 U: a9 l

1、确定系统规格

, ^- T- @5 u. T/ z% H/ Z

- a" w' A2 P& w4 q7 O8 k6 f: N/ b

最小AC输入电压:VACMIN,单位:伏特。

; x8 T9 G8 M* ^6 d

最大AC输入电压:VACMAX,单位:伏特。


; W% F& P( z& R1 W% g; B

输入电压频率:fL,50Hz或者60Hz。


; B' i8 H$ k, s7 y0 @, d/ T( D; P

输出电压:VO,单位:伏特。

) \4 a( q! i$ N# g

最大负载电流:IO,单位:安培。

3 y6 g0 W, h: a% R1 b

输出功率:PO,单位:瓦特。


# F# v# s7 v8 Q/ \

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。


' m. l2 H* I2 X! k: R

! l* e6 h7 R' B, U3 d9 r
3 w) v) T! `+ u8 M! j

2、直流电压范围(VMIN、VMAX)

& J/ ?/ P7 A: ]: B9 p3 ?, z4 i

最小直流输入电压VMIN

# o# n4 ~( \1 g* W- u

: C4 n& w  @* q" K! w6 W

其中,

8 e/ I, e, \# s3 _, k6 t8 H7 _* `

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


+ i& w# t. T3 h6 m

3、相应工作模式和定义电流波形参数KP


& t: e% A  E2 ^% G# n
2 d, r) ~! N6 Q

图2.2 电流波形与工作模式

当KP≤1,连续模式,如图2.2a;

6 F; H0 o' n) N; S9 ^& w  H

) M# ]$ H$ S( x) X+ m2 ?

其中:IR为初级纹波电流,IP为初级峰值电流。


4 }' `0 ^$ k+ }8 {  L

当KP≥1,非连续模式,如图2.2b;


; i3 @1 ^4 E8 @) ]3 F

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。

& ^& X& m  D/ W+ R; M

4、确定反射的输出电压VOR和最大占空比DMAX

3 i" B" u/ P# K

9 M% ^; y2 Z6 w

反射电压VOR设定在80V~110V。

3 m; u2 O8 O7 `- \4 B5 _

连续模式时计算DMAX:


7 U! y, \5 T9 a- S& r, s7 T0 k

非连续模式时计算DMAX:

3 T. `# S7 `9 M+ e

其中,设定CR5842外接功率MOSFET漏极和源极VDS=10V。


& u$ m1 a1 V7 e1 q* |

5、用产品手册选择磁芯材料,确定ΔB大小


3 y' l) ]4 d: T( I5 N1 j% i& y6 ^% s1 j4 D

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:

, W/ J! \! i2 }  {" ]$ T

' n( O2 M- n7 L" w9 ]( Z6 A5 ?  [+ f

" \: @9 C$ w1 k5 c4 y( X2 g" [9 l4 u

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。

  q' @( B5 P* z

6、确定合适的磁芯


0 p  O; A1 L/ x( e7 ~* Q+ c

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。   

                       

/ h* i# U- b- Z' `* [4 U2 Y" i


/ R' N6 {) ?. l4 d/ Y% t

传递功率:

3 x7 U: _' J- H* l" g- M( ?

电流密度:


# }$ u) `9 F) u# u

绕组系数:

6 B5 G5 I) a; V$ z

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。


9 }" _" J. y/ I9 a( B1 x# K


" }' `) i/ o; R9 b, c( I; a4 r) g

图2.3:磁芯窗口面积和截面积

" ]) I" h/ \( g# ?- X& [

7、估算DCM/CCM临界电流IOB


' p0 j. \. a6 t6 P+ {9 J: e! s# E$ e7 v- h

8、计算初级绕组与次级绕组匝数比


0 g3 \: d7 N, b$ C2 }, K" _# H0 J
  x2 H! w4 s/ P& D

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。


: M4 v; c% [+ L$ p" M. Y* j( g

9、计算DCM/CCM临界时副边峰值电流ΔISB:

! {0 |8 q: n# K( K5 Y  t

10、计算CCM状态下副边峰值电流ΔISP:

  l  t8 _4 m$ Y/ j2 Q5 ]3 T

11、计算CCM状态时原边峰值电流ΔIPP:


3 }- W8 w# u0 ?' |3 {! X7 k3 v

12、计算副边电感LS及原边电感LP:

2 `# G) b3 t8 p0 _

6 m& F% p4 x7 ]' E4 \

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。

0 Q0 Z" ^9 [/ h/ @7 s9 m

13、确定原边最小NP匝数与副边NS匝数:

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

以特拉斯(T)为单位。


4 U$ ?; z& v0 T) r' H0 I5 W

14、次级绕组和辅助绕组

! }; a1 h0 v8 G/ m

初级绕组与次级绕组匝数比:

4 P; @) i% Y2 l! l

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。


3 l9 E1 j! p) K6 y

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。


$ q6 Y5 n+ p4 l- e( X1 o6 K  l

辅助绕组匝数


" D+ Q1 b3 ~. M1 ~* {7 s# {8 q

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;


$ Z7 v- m. X3 n* G, s

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。

! D; ~  p, L1 Q4 J0 W4 c' N) U/ r

确定磁芯气隙长度:   


- \- k0 q  e) J$ D* J

+ j- G5 Z$ b8 v+ n- t2 o* e

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。


3 s, x& {! t2 F* u0 S0 q3 X# W

通常不推荐对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。


! i6 E4 H$ v; t' i% }

15.根据有效值电流来确定每个绕组的导线直径。


! D) C' F: n/ i/ @' u' O/ U+ F$ u! E2 [9 X1 o8 ~; {

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。

! P) z# o# K; {# P2 ]7 \

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:

0 N1 v2 L+ W* M5 a0 T5 P

' s; {1 I& Y5 e
3 x0 g( m+ R8 u$ [) {) F( m4 s7 B

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。

8 P3 Y, |. A% m9 r1 `

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