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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 H6 i$ ~: @2 }4 T
1 u% X" Q9 R, R5 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。


# @$ D+ s3 \/ O# |$ h( g1 C

3 u' S! O. H; G5 _! G0 Y1 p; {: G; `8 y+ n6 L3 w; g. f. h

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 b" m* `6 A& ^: r' {

1、确定系统规格


+ r+ @: D3 p% I9 {4 U# {8 x* w! w+ b+ z5 n. @

最小AC输入电压:VACMIN,单位:伏特。

( J& H! C0 R* A8 m2 L

最大AC输入电压:VACMAX,单位:伏特。

/ Y0 u1 R! C2 R" A- \1 ~$ ^

输入电压频率:fL,50Hz或者60Hz。


1 m/ U( f) H: Q7 e3 l: i

输出电压:VO,单位:伏特。


3 `& p; \$ l4 Y

最大负载电流:IO,单位:安培。


+ R9 M* z4 u! n) g  q0 B  N0 G3 c( D

输出功率:PO,单位:瓦特。

8 `$ ?( i+ ]( T8 b, B6 S5 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。

4 j2 e; E" F' E% T, u9 A0 Y# D
; f# O. Q+ |) o

/ |2 o# C+ O4 K3 S9 S

2、直流电压范围(VMIN、VMAX)


6 Z7 i  P- ~! i8 V3 {& {& M# A

最小直流输入电压VMIN


* _9 S$ G. i( S. |8 X& Z
# R9 }* S% ^: B# ]. u% q

其中,


4 h  ^: ]5 l1 Z

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


+ [2 d2 o' d/ R6 r# A5 K$ T

3、相应工作模式和定义电流波形参数KP

/ w6 Q+ s0 t& }+ {
3 Z3 |' Q. A: {% v. _

图2.2 电流波形与工作模式

当KP≤1,连续模式,如图2.2a;

# D- L( d, [; L$ ], b


; i; q# N/ C0 p4 O' x3 O

其中:IR为初级纹波电流,IP为初级峰值电流。

/ _, }9 j7 C4 S

当KP≥1,非连续模式,如图2.2b;


% o; |. K- ~' S- w! V$ [/ m* r

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。

. N/ j2 Q; T0 H4 L5 l- w' `& Z( Q  I+ q

4、确定反射的输出电压VOR和最大占空比DMAX

4 p9 C4 f% @1 Y1 n+ {" j) c
) ]/ k9 _7 M" C7 ^3 ^8 Z

反射电压VOR设定在80V~110V。


% Z5 I% ^6 k7 y: H) F9 t; J8 P" I' S

连续模式时计算DMAX:

* w) G; P4 g! }- l' T

非连续模式时计算DMAX:


  F7 n7 p5 v) S  Y' H

其中,设定CR5842外接功率MOSFET漏极和源极VDS=10V。


. Z6 |  u8 b, a+ e5 e& D

5、用产品手册选择磁芯材料,确定ΔB大小


! m# U! i* Q( X4 |8 R
2 e+ Q, g# h' y% o

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: q1 R7 y& P6 B% `7 I

: I/ d; X* O' d/ w7 X; w! _
; _0 J) D3 [: W2 V1 ^  c- o

: A! z6 _) l, @6 _% ^/ N

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。

- z8 n3 E6 _+ _2 `

6、确定合适的磁芯

! ?5 h" @  }1 r3 {

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。   

                       

: G6 J$ l0 k& n  T4 I% M) U$ c

0 O) f; Y2 g2 c6 _( M6 B# [- p

传递功率:


1 p) ^' h4 d( {

电流密度:

0 j0 Q, O- Q" W' W: J3 P: q

绕组系数:


& K" G* E$ e+ s* u; S, `$ u

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。


$ a1 [) ~: _% O


  ]! n7 p5 O) {, l. l' Z( p

图2.3:磁芯窗口面积和截面积

5 Y+ E/ M7 y" U' k* K' _

7、估算DCM/CCM临界电流IOB


7 W- \. ?! }- R, k% u
8 N8 E9 W+ s/ f5 G. E

8、计算初级绕组与次级绕组匝数比


. @2 w& q% j; o4 f) K6 U0 w6 v0 [' k
+ e* s8 I! q& x" ]

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。

) u" Y9 W1 D& n- A) d. @

9、计算DCM/CCM临界时副边峰值电流ΔISB:


) a2 E& s: J) c+ h5 e+ h+ S

10、计算CCM状态下副边峰值电流ΔISP:


  ~$ m0 z( r2 z) h

11、计算CCM状态时原边峰值电流ΔIPP:


4 |2 Z4 V6 {: K) L

12、计算副边电感LS及原边电感LP:

* q+ N+ b: a2 Y


7 B7 B0 u; @8 f6 P4 i4 A2 f4 i. q8 A+ w

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。

+ G3 ~$ p8 |( n. l& s5 T

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。


, t0 R8 J% N3 ?3 r; K

14、次级绕组和辅助绕组

, f+ w8 h; y3 W4 u

初级绕组与次级绕组匝数比:

0 T3 z5 I3 n- h

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。


( k0 ]5 E" V2 s$ f4 H: Q6 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。


6 q% }8 h1 }8 a! R, }

辅助绕组匝数


0 r" A: q3 g! Y1 E5 T, }

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;


# a: Y* b) f4 c& B* r

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。


; V5 a7 A2 j; X# `8 `% q

确定磁芯气隙长度:   

, g' Z- [/ q; S- B% n

" B5 j2 Z9 `9 D, L+ J9 r" Z

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。

% [: G$ b1 h; o

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。


0 p; J) x/ n, |7 U/ N

15.根据有效值电流来确定每个绕组的导线直径。

, e1 H- t8 W# C$ k+ w$ _
1 {4 u6 a2 O5 w8 @1 z+ p+ V

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。


/ m4 G/ h& I9 U# h7 c

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:


" F) _3 {/ I& b: _) ?0 O


* W( g- ^5 H7 u. L# o6 M! u+ x! [9 V' {7 F. C

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。

5 r  J' O; D! F6 A% ~

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