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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
3 M$ u5 O! i9 V* D0 b, A
5 z  f( f6 R# E4 t2 \2 b. r4 U; N$ c6 o

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。


5 b" j3 ]) s$ f) e2 n

5 G% L. r6 f: d% J8 `& l) u; |" [0 k' v4 n- D

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 \% r3 y& }

1、确定系统规格


  M5 E3 G9 U) w# U# `" I; @- D& Q% I0 x& ^, x

最小AC输入电压:VACMIN,单位:伏特。

) B7 w1 s$ u/ s

最大AC输入电压:VACMAX,单位:伏特。

* a0 m9 B. M- t

输入电压频率:fL,50Hz或者60Hz。

! ]. P, b5 ]2 R0 V" f

输出电压:VO,单位:伏特。

8 l$ G; C4 x( y- v' C+ |- j

最大负载电流:IO,单位:安培。

, W" g, }# x* b. m7 a

输出功率:PO,单位:瓦特。


" p% {4 r  u8 x8 h

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。

% ~( {! R( r/ V- V6 r/ ~9 l9 j
* }! ^" I+ I& y$ \% P, u! w4 u+ F
0 U  U) T5 B4 Y; @6 @& b5 P" M5 E1 U

2、直流电压范围(VMIN、VMAX)


/ n; _1 B% ]0 z

最小直流输入电压VMIN


3 s2 \5 f" x& S
/ f8 k) _& U0 l2 v& B" l

其中,

  {! X" `  q' N4 R

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 h3 g1 N: T5 [* ?! n

3、相应工作模式和定义电流波形参数KP


- I, `# @* m; s
# K- x- ^) O- _& }1 Q, z

图2.2 电流波形与工作模式

当KP≤1,连续模式,如图2.2a;


! V& Y4 q- H; p# H( K0 d

" I% v/ m$ V; Y( @4 O

其中:IR为初级纹波电流,IP为初级峰值电流。


8 G! C0 q" g  i+ L0 a5 L8 L. B

当KP≥1,非连续模式,如图2.2b;

$ X3 C; `* x9 X$ g# Q

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。


0 I# m( p- n& Y% v

4、确定反射的输出电压VOR和最大占空比DMAX


# f, w( @+ t0 K3 ]  F, |4 P% }

反射电压VOR设定在80V~110V。


8 Y* s1 p; k  t; J& M

连续模式时计算DMAX:


/ w- \6 N/ b+ D

非连续模式时计算DMAX:


- ]# ]7 o1 R# g* g

其中,设定CR5842外接功率MOSFET漏极和源极VDS=10V。

& K7 i' ~1 T, N2 k

5、用产品手册选择磁芯材料,确定ΔB大小


: T0 ^! |; d" b0 \3 d: B1 v+ S3 F: q1 F

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:


' x/ \4 A  [& c) _


. y3 M* Q2 }4 T! r9 N3 c- A% e0 m# z7 }" C& B; X8 p3 f

, s% }# Q3 Z6 H& f4 p: A: N0 s

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。


7 _! e5 d; S" \8 W4 @0 n, w

6、确定合适的磁芯

6 S' S& q  ^2 n2 g

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。   

                       

* F: h9 k0 n- S3 o& L


. k3 Z4 B4 {* S1 z( k

传递功率:

( C' A( {/ n8 u: Z; V  z

电流密度:


" Y; t. K1 i& ]) M4 l# M

绕组系数:


. Q: c, W( X: m

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 h& g3 `: {1 s) Y4 L9 q


3 J  o1 O# |2 o- Y

图2.3:磁芯窗口面积和截面积


- ^# j/ C( j6 v! a+ Z- @+ ~# \

7、估算DCM/CCM临界电流IOB

0 [& P! u9 |8 V

% [' c- @5 u. C$ m3 i

8、计算初级绕组与次级绕组匝数比


6 `2 @% ?# B5 z6 C- X3 K. Z. `9 H( g8 c+ u/ \" `

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。

7 Q9 Q3 G% ~; \7 Z4 \

9、计算DCM/CCM临界时副边峰值电流ΔISB:


! ]/ I% T% P6 Q7 ]4 g

10、计算CCM状态下副边峰值电流ΔISP:


+ A4 h% y3 T$ O4 k. s

11、计算CCM状态时原边峰值电流ΔIPP:


& B6 [8 X$ ]$ H: h3 z+ I

12、计算副边电感LS及原边电感LP:

! n2 }- {& E. {


, K' X. |2 Y. ?+ p6 C8 Y7 t) f

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。

1 w+ V/ V  j% _7 s

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。

0 o# }( P) Z( m5 ?( }8 b6 b

14、次级绕组和辅助绕组

5 U3 H4 w" J- {

初级绕组与次级绕组匝数比:

/ a/ `. a2 ^  F

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。

" ?0 b+ @8 G: N* k1 H

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。


0 o7 E  P( m5 G; ~; K

辅助绕组匝数

' Y8 d; P. j) ~3 G

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;


; \: F1 q" K) {7 ?+ z8 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。

- g5 Q( z: U: B

确定磁芯气隙长度:   


' d. m1 B6 _3 i3 g  |3 F  _

; W2 l1 P3 y7 X

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。


- ^# H% Q) G. q9 J& N! _6 f

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。


; J0 c! _0 R2 p" u+ |& z

15.根据有效值电流来确定每个绕组的导线直径。


& i3 D$ d* X' g* G
( B" Y; r) k/ G' @3 n6 \

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。


6 b; c3 a+ b0 h/ P3 i% s/ k6 u

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:


. k) |4 b2 |3 ^7 g5 C/ ]1 V


6 e0 q3 j; J- f( r/ \! V0 o4 h
) n- Q. n& M# S+ M" w; Y/ J

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 n& \, P) e, I4 D3 o! x/ I' C

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