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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 . B# {) u( Y5 u

1 R2 l+ ^# j' @' I

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。

  T( n4 X4 u. F' f/ f. t: O% A+ T. W
4 z" s9 o4 c! s1 D% S
; b* F0 y: V' ^$ `' `2 Y

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!


8 P5 F+ n, ?' w( P% [8 n; j

1、确定系统规格


- J7 R6 Z9 p* a& H5 B9 p- K
0 v# a0 |  b3 v; T4 F

最小AC输入电压:VACMIN,单位:伏特。

/ Z: w1 A8 ~5 \3 ^: b) [$ Z

最大AC输入电压:VACMAX,单位:伏特。

" ^7 N1 I' n( @$ |; E( _

输入电压频率:fL,50Hz或者60Hz。


6 B7 f/ B$ ^  A. v3 d

输出电压:VO,单位:伏特。


+ A1 y/ V4 T' P4 o9 R: U

最大负载电流:IO,单位:安培。

: b+ Y' ^( @0 v

输出功率:PO,单位:瓦特。

' i+ r, A  K3 l% J" 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。

# S* M$ J! e8 q9 S
1 d3 `3 {% t0 ^

. I* f5 @0 p2 e$ ~8 M) E* \

2、直流电压范围(VMIN、VMAX)

2 I1 N" d! e6 y8 s/ m( x* _9 m

最小直流输入电压VMIN


- ^+ M; {8 }+ X! N

1 Y# h6 K  c3 e3 L2 \3 u

其中,

4 b7 T% Y* Y9 Q6 @# v8 g

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

# C* T/ G" m2 D: Z9 U

3、相应工作模式和定义电流波形参数KP

  b+ ~$ [1 K) a

* Y. C$ l* l1 }8 n

图2.2 电流波形与工作模式

当KP≤1,连续模式,如图2.2a;


% \  `. i8 a& S


: w0 U' J9 M# S4 |

其中:IR为初级纹波电流,IP为初级峰值电流。

* F# }4 a; j9 O( c% w

当KP≥1,非连续模式,如图2.2b;

6 I4 {+ _$ f; g# y6 R& k* l' P+ z

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。

9 n" T% g3 m1 v# }! Z

4、确定反射的输出电压VOR和最大占空比DMAX

, Y7 w7 D/ Q9 W% w& O) }$ M
. f2 k7 l3 D1 i1 p2 N- I

反射电压VOR设定在80V~110V。


. e8 ^% H( U2 B1 w% C- D: Q, C5 z

连续模式时计算DMAX:

. y+ v: p  C) M2 }5 c: h0 c* J

非连续模式时计算DMAX:

7 P7 ], |9 f9 i! A; ]; c

其中,设定CR5842外接功率MOSFET漏极和源极VDS=10V。

' N3 u3 o8 G8 @) A& {  N

5、用产品手册选择磁芯材料,确定ΔB大小

. Z) {6 E; N, n. O3 g3 x
1 Q0 R# q# w5 ~$ t1 f3 {

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:

; \/ N+ G' ^0 ~' R# @


3 E  E0 l) o8 W2 _' U
. w, P6 e5 Y( _. X5 J
% \' S* {/ m; R* \+ E9 T

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。

9 @: a" v# w( S9 h: ^6 R1 k

6、确定合适的磁芯


: }- x* Q; S  ~, k

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。   

                       


- d% M2 Y' S( S% f! a/ j2 X7 D


! A+ s0 [6 P" Y( o1 }! E% y6 {

传递功率:

5 ~( D' x0 P  W+ P# |/ f

电流密度:


( G- f% \$ d: y8 I" ~$ W6 t

绕组系数:

6 u% |2 L! u8 t2 N4 {

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。


: V$ e. G/ p8 w2 ~+ e

" U& F$ T, O9 Q

图2.3:磁芯窗口面积和截面积


: \* m, d" d0 f

7、估算DCM/CCM临界电流IOB


) Y0 r# V8 g  }4 k1 D
0 J. P: G: s& n2 j* m3 q) q

8、计算初级绕组与次级绕组匝数比


$ c6 H& O% E$ V: n) M* L0 ?6 A0 U( Q7 ]2 D9 ~/ i$ q. y+ n

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。


5 G6 z7 p8 b0 `/ p: M5 z5 R( N

9、计算DCM/CCM临界时副边峰值电流ΔISB:


( ?1 c9 Q$ W/ X' ]) H, I: n4 H

10、计算CCM状态下副边峰值电流ΔISP:


! o7 y, n7 y' y% X, k3 z. h- w

11、计算CCM状态时原边峰值电流ΔIPP:


6 s" N; r- K* q  ]! A7 R0 q

12、计算副边电感LS及原边电感LP:


) y' p/ K+ T7 l) a- Y" B

1 h8 J: J7 {- h- D* [% x

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。


3 y# ~. U* b3 ~

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。


/ G. y9 G' a  M' @1 m, R

14、次级绕组和辅助绕组


5 O, P1 |6 l* u5 a# r( i! k4 }7 r

初级绕组与次级绕组匝数比:

, s1 |! q2 u+ ?5 I! G" K

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。

; J* Z3 {6 [3 J2 Z4 K

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。

3 d2 k7 B- V, m2 q' M8 H" P- H& p6 m

辅助绕组匝数


3 \, p* @, ?% w5 x

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;

7 s# E4 m5 l2 @

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。


0 q+ u; P6 V) R# c" V8 j- ~

确定磁芯气隙长度:   

, {& h* L7 X( [2 [6 x5 i  o

7 o* [. J9 x! p# y! j

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。

' z! ^, C/ @4 k' w" w( ~: y7 c/ l

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。

- |, f0 q  T8 C. {3 ]) e1 ]" z

15.根据有效值电流来确定每个绕组的导线直径。

9 j4 ~/ t/ Y6 |& z6 f

8 H" s6 @* S+ H4 b, N  ^! l) ?

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。

+ Z3 q2 Q( T' d4 f

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:


* d' a, d7 G2 d8 q* F7 T, m; |$ C

  x$ R$ v  U, V

; M6 Z1 F% S0 t9 l; w: H

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。


! X) o) u# }/ y6 z

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