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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 2 P- d! d+ v3 X" A$ O$ \
, `. T( r; A9 _( m, C

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。


' j# }( f- r5 ^1 I) G: Y

$ ~3 d/ @# g0 E( x1 A8 P/ e8 v& N
6 [. ^% f6 j; x$ \, U3 ]

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!


3 |" s$ Z+ S7 ?+ |5 Z. V

1、确定系统规格


- i. I2 [- h3 J
" B! S+ v5 l: q( {

最小AC输入电压:VACMIN,单位:伏特。

. h: H5 P" _4 x, C# Q  V

最大AC输入电压:VACMAX,单位:伏特。

. Y6 c4 E' e2 F  C

输入电压频率:fL,50Hz或者60Hz。

) ]5 y+ v) w2 S9 U7 m

输出电压:VO,单位:伏特。


0 P! a. Z$ x7 t: Y. j4 x1 O

最大负载电流:IO,单位:安培。

+ p% R7 q8 m* }4 c

输出功率:PO,单位:瓦特。

; O/ [4 |! z, k& Z1 m( V* r/ a

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。


3 l6 d$ V7 n  l2 b3 A; \

9 [9 n9 F+ n8 g* |  j: C
- p$ J6 s9 {2 b$ ^0 x. B( `

2、直流电压范围(VMIN、VMAX)

+ }8 q2 ^% F# ^$ M

最小直流输入电压VMIN

$ w: k/ c# X6 o( k; M

. \* c9 C. q# D0 n

其中,


5 v7 r' y% A& k1 D; T3 L

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

4 m1 y8 j, N  T& S% b6 w, ~

3、相应工作模式和定义电流波形参数KP

2 j) ^; G& d! c) P

: b5 o7 o6 m/ t; ]

图2.2 电流波形与工作模式

当KP≤1,连续模式,如图2.2a;


6 r1 }# e: W! i0 l

1 U5 }  u& U: W  v+ O

其中:IR为初级纹波电流,IP为初级峰值电流。

7 ^7 m/ i  Q! h- L

当KP≥1,非连续模式,如图2.2b;

2 n2 _) m9 H  q- M! f( m

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。

; l" c- C+ M6 t. t. \$ o

4、确定反射的输出电压VOR和最大占空比DMAX

2 p. W! b$ H  G- m$ y4 a6 `
7 b( d2 }- p* u2 o2 ~' x5 p8 Q

反射电压VOR设定在80V~110V。

- k! O8 |! v! E+ j+ U

连续模式时计算DMAX:


1 j3 a7 g& O3 j( t6 M

非连续模式时计算DMAX:


" T/ g, `# z/ i+ Z* |

其中,设定CR5842外接功率MOSFET漏极和源极VDS=10V。


: Z3 l5 u7 t7 L& A9 u5 b

5、用产品手册选择磁芯材料,确定ΔB大小

8 [+ k) Y9 M/ G8 f& y4 ]2 k
4 _" Z1 M8 l# X& D) x) v

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:


3 R3 M# C% Y' R! ^) T5 ^


0 j2 l9 V9 Z1 Y4 g! [0 U7 m; i. R. t2 t

# A6 v5 l" Z. w6 ~7 m

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。


: s8 k( }' ]6 R1 E

6、确定合适的磁芯


+ C5 p6 v$ f( t  Y8 M+ ?4 j

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。   

                       


  ?9 M7 A6 `; ^2 v6 m

$ x: [3 h# y/ y/ f; [

传递功率:


9 I; y+ E! c; U! q$ g

电流密度:

, a2 j4 o5 x; }8 b7 W: D4 U

绕组系数:


/ J( P1 `' F7 C/ {* A% ?

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。


. B$ ?) v9 @1 z. U7 D8 s

7 Z2 Q- Y: v% e% n& p. Z

图2.3:磁芯窗口面积和截面积

8 `2 h/ k; R, L$ P  f# Q/ e

7、估算DCM/CCM临界电流IOB

; C0 z# ~8 U+ m: m1 `- n& S& o9 ~

5 Q, z8 _8 [6 s) z" e: T  w) A

8、计算初级绕组与次级绕组匝数比

) m3 m7 t6 X% @0 X+ M
: u; [) f7 H. h0 g3 C0 p

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。


0 D( \% Y8 j; Z  s

9、计算DCM/CCM临界时副边峰值电流ΔISB:

$ @( w5 Z) W5 B% E) a2 n+ ?

10、计算CCM状态下副边峰值电流ΔISP:

% ]* k5 ^0 Z8 x

11、计算CCM状态时原边峰值电流ΔIPP:

. l9 B$ r% V- c

12、计算副边电感LS及原边电感LP:

3 r9 r9 @4 p* _8 j% E, k; z

; Q+ o: F9 m# ^: A" c

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。

# P3 ^8 f6 r4 J, o0 K9 ]

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。

# h! H* v6 U9 }

14、次级绕组和辅助绕组

1 h2 U4 p+ p/ j$ Q- i

初级绕组与次级绕组匝数比:


% A' [7 A( Q' ]. }

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。


1 ]* w1 o! |0 s8 b8 _

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。


. @# f( r3 m( g$ x8 w* I

辅助绕组匝数

% t% t; D5 J. h

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;


: g# m& K& N* \3 C6 q$ i! G/ N4 h* ^

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。

) E8 Z' m6 c5 m1 f3 P

确定磁芯气隙长度:   

" ^/ C- W; R+ }# C4 A+ j


# u3 Z, B/ _% X6 m7 E; d6 l7 l

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 Y1 N5 [8 A7 u7 z: j4 I

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。

/ q! q2 p: n$ j& t; v9 y

15.根据有效值电流来确定每个绕组的导线直径。


! x7 n) L# j1 W  b6 l6 q3 U  j% {- X8 e/ r3 P

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。


' X- r+ D3 _6 |# s4 f; K" K. G

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:

, G( w: P1 E$ s; I


+ H" D; U1 j1 N9 X* ?' L* v: h+ V: `; t

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。

- _. b- X: d. y0 T. t& X/ [

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