[经验]

开关电源中变压器的简单设计及它的组成原理

2016-3-31 14:32:20

3928 开关电源变压器漆包线

在制作开关电源中的变压器首先要按照设计功率选择硅钢片铁芯，或根据现有铁芯截面积计算功率，然后查手册得出每伏匝数，再按初级次级的电流电压的设计要求，计算初次级漆包线线径和匝数等等，经过的步骤很多，也是比较复杂的一个工程。我们通过变压器的组成、原理，来详细说说变压器的简单设计问题。
一、开关电源中变压器的组成
变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。它可以变换交流电压、电流和阻抗。最简单的铁心变压器由一个软磁材料做成的铁心及套在铁心上的两个匝数不等的线圈构成，如图所示。

二、开关电源中变压器的原理
变压器是利用电磁感应原理制成的静止用电器。当变压器的原线圈接在交流电源上时，铁心中便产生交变磁通，交变磁通用φ表示。原、副线圈中的φ是相同的，φ也是简谐函数，表为φ=φmsinωt。由法拉第电磁感应定律可知，原、副线圈中的感应电动势为e1=-N1dφ/dt、e2=-N2dφ/dt。式中N1、N2为原、副线圈的匝数。由图可知U1=-e1，U2=e2（原线圈物理量用下角标1表示，副线圈物理量用下角标2表示），其复有效值为U1=-E1=jN1ωΦ、U2=E2=-jN2ωΦ，令k=N1/N2，称变压器的变比。由上式可得U1/ U2=-N1/N2=-k，即变压器原、副线圈电压有效值之比，等于其匝数比而且原、副线圈电压的位相差为π。

三、开关电源中变压器的简单设计
首先确定已知参数：
1）开关频率：Fsw；
2）变压器的效率：η；
3）最大占空比：Dmax；
4）输入电压范围：Vinmin,Vinmax
5）输出电压 Vout
6）输出电流Iout
7）K=0.4(DCM=1,CCM=0.3~0.5)；
8）输出二极管管压降Vf
9）辅助绕组电压Vb
10）辅助绕组二极管管压降Vfb
变压器设计步骤一
输入功率  Pin=(Vout*Iout) η
输入电流平均值 Iin_avg=Pin/(√2*Vinmin*Dmax)
初级电感量Lp=(√2*Vinmin*Dmax)^2/2*Pin*Fsw*K
纹波电流 ⊿I= √2*Vinmin*Dmax/Lp*Fsw
变压器设计步骤二
再确认参数
根据设计功率和结构空间选择磁芯
选好磁芯确定磁芯材质选出ui值
确定材质找出相对温度的Bs(饱和磁通密度)一般选择60°相对的Bs.
找出Ae（磁芯实际截面面积）、Acw（磁芯总卷线截面面积）、Ve（磁芯实效体积）值
变压器设计步骤三
计算输入电流峰值Ipk=(Iin_avg*⊿I/2)*1.2
计算AP值 AP=Ae*Acw
计算初级圈数确认选择
NP1= (√2*Vinmin*Dmax)/ui*Fsw*Ae
NP2=LP*Ipk/Bs*Ae
NP= | NP1 if  NP1>NP2
         | NP2 otherwise
匝比的计算 n=[Dmax/(1-Dmax)]/Vout+Vf
次级线圈的计算 NS=NP/n
辅助绕组线圈的计算Nfb=(Vf+Vfb/Vout+Vf)*NS
反推验证Dmax
Dmax=[n*(Vout+Vf)]/[√2*Vinmin+n*(Vout+Vf)]
气隙的计算 Lg=4*3.14*10^-7*NP^2*Ae/Lp
关于反激变压器的气隙
为什么要开气隙？
反激变换器中，变压器起着电感和变压器的双重作用，因而变压器磁芯处于直流偏磁状态，为防磁饱和因此要加入气隙。
防止磁芯饱和不仅只有开气隙一种方法，另外一种是增加磁心的体积；不过通常设计时空间已经限制了磁芯的大小，所以实际设计中开气隙的方法应用的比较多；
这两种方法都可以使磁心的磁滞回线变得“扁平”，这样对于相同的直流偏压，就降低了工作磁通的密度。
变压器的线径选择
变压器的线径计算是有规定的，特别是反激式电源变压器更应该注意？
自然冷却时j=1.5~4A/mm2，强迫冷风时3~5A/mm2。
在不同的频率下选取d也是不同的，在200KHz以下时，一般为4~5A/mm2，在200KHz以上时，一般为2~3A/mm2。

变压器的绕制方法
为了减少漏感，目前最好的、工艺最简单的绕制方法是初次级交错绕法也就是大家常说的三明治绕法。

以上是我们对于开关电源中变压器的组成、原理及变压器的简单设计做了详细的分析。我们沃尔电子的威廉希尔官方网站团队经过多年的开关电源研发，已经很熟悉便变压器的设计开发，但我们也在努力的去改进产品，如果您对我们的开关电源原理威廉希尔官方网站文章有疑问，也请联系我们。