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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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安防偶像

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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
8 @& c7 Y% I  m5 z* A9 S8 n8 R8 ?! P* ~9 c; S2 T! s  ?3 }5 _

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。

, N+ c' Z0 G5 a# F/ }

& @# a1 t. _7 z" ~1 N5 g- U% T% i6 V

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 O! ?  N0 z

1、确定系统规格


1 q: }3 d% W* f6 @9 \3 [
' i+ E% i# h' b7 W+ t9 P

最小AC输入电压:VACMIN,单位:伏特。

: O" V: }3 W& u, R

最大AC输入电压:VACMAX,单位:伏特。


  l& \8 i8 S1 i" q, u9 }

输入电压频率:fL,50Hz或者60Hz。

9 O+ I6 L6 `6 n: C! h+ ?4 A$ A, x

输出电压:VO,单位:伏特。

8 Y# m" e5 M, t  L; ^  i" @

最大负载电流:IO,单位:安培。


. L: a$ d  h& J3 U

输出功率:PO,单位:瓦特。


# u' s$ a& Y7 ^3 Q1 f# ?

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。


9 a+ h+ Q( Q- H3 d
6 T1 C0 r! q. n$ Y4 \

/ N) w. v* r" c5 @2 w

2、直流电压范围(VMIN、VMAX)

8 G) w5 b& I5 [% Q

最小直流输入电压VMIN


/ X+ t4 }# k! y3 j) _. H; p! P1 z% L- z
- s3 ?; ?3 E1 V9 W5 Y; `; `

其中,

4 o, o3 c* G7 A; 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

% n* [& Z. v* _5 ?/ l( u0 W

3、相应工作模式和定义电流波形参数KP

/ U1 X# H7 i" c9 Q

5 g2 w3 |3 v' J' q

图2.2 电流波形与工作模式

当KP≤1,连续模式,如图2.2a;

  h& o, ~0 Y3 A. k

8 ~/ w3 X/ J. y/ s5 `0 f5 J8 u- c5 z5 G

其中:IR为初级纹波电流,IP为初级峰值电流。

3 F" W7 L( O) b/ n6 Z

当KP≥1,非连续模式,如图2.2b;


0 S- [/ \3 M; M3 N3 o

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。


; [- O# h# E% ?+ H1 B! m

4、确定反射的输出电压VOR和最大占空比DMAX


, H5 K2 ]8 Z1 v/ ~6 p: c; n2 m( h0 r: a

反射电压VOR设定在80V~110V。

* k4 v1 M; b- K& {; J0 q

连续模式时计算DMAX:

. x0 G0 j- J1 F2 \

非连续模式时计算DMAX:

6 H! a, Z# }% R( {+ @6 |& Z

其中,设定CR5842外接功率MOSFET漏极和源极VDS=10V。

/ d2 d1 D3 H  W$ p* J

5、用产品手册选择磁芯材料,确定ΔB大小


4 r! x( l2 H5 s& K$ ?7 u" K% G$ M+ n5 n! s

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:


* g2 s) g) o4 ^3 j* M; W% f+ c+ I0 N


: O1 ^5 P7 m$ l  s: n% D9 Z
& Y& K0 Y6 d( A: L7 }
# S0 o$ B. n8 ~7 V5 o

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。

, R  Q8 P. j8 Q$ x

6、确定合适的磁芯


/ ^3 W; z. k; 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。   

                       


3 V. ~+ k$ a0 Y  X3 w, A4 e

3 d6 L5 R* E! ~$ O( Y0 S

传递功率:

8 B6 v( _  c# L( P* x7 r. J! z2 b

电流密度:

% u" ~8 V4 I" d9 Q0 B$ ^: M4 X

绕组系数:

% T0 H& r* |. d6 ~! [0 s: L; N

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。


5 C) |0 O+ B# y2 t, `


1 }: c9 d" ~) E% Q* C

图2.3:磁芯窗口面积和截面积


# K0 D) Q5 F% h7 G5 h9 F7 x0 J0 S

7、估算DCM/CCM临界电流IOB


, x% T8 k& f: d- b0 r% Q# F4 `4 @$ K( p0 y

8、计算初级绕组与次级绕组匝数比


! Z# g" N- F6 P3 b: ]5 \: N1 h1 H' i4 z. g! r3 H7 s

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。


$ W! A" G+ Y  U2 a: W

9、计算DCM/CCM临界时副边峰值电流ΔISB:

1 G- M% i# @. o* n: ^

10、计算CCM状态下副边峰值电流ΔISP:


7 U: N( E  f2 ]' n/ V6 {

11、计算CCM状态时原边峰值电流ΔIPP:

& H: f/ ?6 a$ G2 I+ A

12、计算副边电感LS及原边电感LP:

! M2 z0 F$ g+ S( I( I

' ]7 x9 J, I7 n

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。


$ Z% _  I+ N7 d. p2 Z) {1 K4 n/ G

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。

: R) B* B7 d  z* Q, K* E2 Y

14、次级绕组和辅助绕组


4 y6 {9 U; {( L  E

初级绕组与次级绕组匝数比:

! n2 P2 N, Q% j' s  U

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。

: w1 Z& I7 S8 a/ E

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。


7 d' _/ T) o4 L" G. f$ W: Z  h

辅助绕组匝数

4 q7 M/ W8 _" F) f( j! c

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;


  @. E$ [; N1 ^/ W

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。

- [, V! n6 g, Y1 E; [1 e

确定磁芯气隙长度:   

0 V, `! l* _* e

. W, y0 i. ^/ z3 ~: R" ?

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。

2 C5 z# e" D0 C5 ]( 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。

' w. |3 t3 l. [# x0 A- h

15.根据有效值电流来确定每个绕组的导线直径。

# Y/ l$ e) M' ]$ k; B0 n

; k# Z1 p- d/ Z( N  ?2 ^, U

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。

. W) a  r) E" F9 b

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:

& b( l( L" }0 a" J& J


  W! q( z: \3 U0 h' M: X! U# r
( u7 I$ H( s7 a2 O0 j- y3 E

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。


7 K# T' Q; Q% H$ S7 P

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