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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
# a* T  R! F4 {/ N7 y1 Y1 Y7 S+ J+ i0 U8 }: q( k

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。

* ?# I& I9 W) |2 A; F0 C

9 A+ e$ t: y; S& J( ~" B/ R, N- k5 {9 O4 M( G  i

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!

0 {* z/ V1 D' v6 V  b4 i' k

1、确定系统规格

6 A  w2 H( t$ s6 n1 l% L! G/ R
; i9 @6 R, p( v7 m, {: o

最小AC输入电压:VACMIN,单位:伏特。


) P  G* _% A# B' h+ ~1 @

最大AC输入电压:VACMAX,单位:伏特。

& m( Q: j: t$ n; z+ _/ b& w8 {

输入电压频率:fL,50Hz或者60Hz。

: o( M$ Y7 l& g

输出电压:VO,单位:伏特。

( Y* ~9 o) Q7 y) i* j

最大负载电流:IO,单位:安培。

) l) A) g1 R" v3 c' e8 q7 M  b7 i

输出功率:PO,单位:瓦特。


; u7 W% V5 y/ g9 t

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。


5 D- x6 |, B( I# x/ q$ Y2 ^7 B6 b- ?
5 |+ A8 N0 ^' k0 L  j7 m

  u- S) d4 f# e! {5 U

2、直流电压范围(VMIN、VMAX)


, `. U) P/ D0 N8 u8 Z# @0 [

最小直流输入电压VMIN

* ?8 P# D- K+ V! h

/ u7 x! J3 |* n1 i* z: I

其中,


% j( ]. n7 O6 X/ e7 W- c5 ^( w# ?

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/ ]! O2 q6 l& `- ?9 M

3、相应工作模式和定义电流波形参数KP

: M1 ?! \+ O, x6 D. p0 d3 B" v

" Y& P" i/ A) U( J2 l" n, b

图2.2 电流波形与工作模式

当KP≤1,连续模式,如图2.2a;


# S9 U# t2 T: E+ r3 r3 r5 y+ L


, V, m1 I7 x. x1 M$ ^) C

其中:IR为初级纹波电流,IP为初级峰值电流。

& w  l. M4 f) y# c

当KP≥1,非连续模式,如图2.2b;


3 I8 u. U: a4 z6 r! s

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。


3 Z$ q5 x& j; _" m' n, J  u( j: z

4、确定反射的输出电压VOR和最大占空比DMAX


& P( m3 R5 j/ V
2 s! |+ ]- q6 x9 ^8 A

反射电压VOR设定在80V~110V。


/ ^! H: D; }6 o. x

连续模式时计算DMAX:


) `3 B' @; v+ r. J, B# V

非连续模式时计算DMAX:

- |3 `; ~- c' q7 [: k% {) C

其中,设定CR5842外接功率MOSFET漏极和源极VDS=10V。

" r) Y$ k! r5 V" g, e8 I

5、用产品手册选择磁芯材料,确定ΔB大小

$ m$ ~1 }* d! c& o1 [3 l9 }

& O, F8 r$ I, J' Y6 g# B2 x! e

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:

' P* F2 R/ F% a0 a

9 g( {( }, Z# t$ u
1 w. ?9 s1 o5 C0 J, G4 t, e

' n% V$ L* T3 ~7 h$ X

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。

% [/ q+ R$ u7 u6 k& }' C- Q1 H9 S& L

6、确定合适的磁芯

$ v$ h5 }4 A( B. I: \+ D

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。   

                       

- C* q6 a5 k4 m9 x5 l& j$ K

- T. F& X* w* _: e5 D4 ]

传递功率:

3 E$ C& ]4 e! W- }

电流密度:

! e4 X+ c- g8 U+ l) d- }0 I6 i& Q

绕组系数:

% o5 ~. l) ?# i; A1 H. |/ 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。


  J0 x8 D/ ]$ q# {3 Y! z* n


+ ~+ p2 g+ d5 x9 h$ S

图2.3:磁芯窗口面积和截面积

4 e. A) e0 ~9 @; v/ S+ R* ~) `

7、估算DCM/CCM临界电流IOB

1 \' ?' K9 S2 r% v

5 e: v' j- W1 M# h5 S: v. r

8、计算初级绕组与次级绕组匝数比

# C% B! C/ K7 y3 S
4 g, ^+ f8 g$ L1 \# x9 `! o& t

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。


: B) h" t( F6 R# f, r& u' ?

9、计算DCM/CCM临界时副边峰值电流ΔISB:

+ U- l$ ]- O; Y

10、计算CCM状态下副边峰值电流ΔISP:


2 H5 j- T9 q# Z! ~: A

11、计算CCM状态时原边峰值电流ΔIPP:

4 W% U9 r5 O2 y: j9 }) `

12、计算副边电感LS及原边电感LP:


  r. L+ j) r2 V  H

0 G) L1 `# E$ z7 Q0 Y1 m, 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。

3 E% m! |( u7 {% I7 Y3 Y2 s* b

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。


* C+ g! ]& U2 |8 D6 R

14、次级绕组和辅助绕组


+ z$ u1 Y" r! U( V7 m

初级绕组与次级绕组匝数比:

, @: x, [5 D6 n. v

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 X4 j/ i% p* _/ M8 n2 L) K) r* T  C

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。


/ c% Z8 Q9 i; j4 {: d# `" o( R

辅助绕组匝数

1 I% }" z. m9 {1 W, r! o  q

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+ q/ L7 x- n

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。


- Y. S  [% Z0 D# d+ H& {  B

确定磁芯气隙长度:   


4 |$ O6 N0 X- _8 E: O' m; e9 M% O

8 t; A5 O9 N9 L  G. }

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。

. C+ q' G, e" Y- a$ h5 D5 d/ S

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。


; I7 [! @( j, ~

15.根据有效值电流来确定每个绕组的导线直径。


5 @+ a' s! ^% t& f) t' }$ y+ F- I
  ?. t6 s9 _4 n# w0 o4 `

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。


" k* Y' B3 `1 f# 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:


# n- d5 w8 I7 {  T* ~


! \' ]# X- [. o; ^. N, L# m
7 a3 t! Q1 @4 w) W( R+ n" w

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。


& o% ]. [; J& m

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