变压器设计方法

发布时间:2024-01-24
今天讲下变压器的设计方法!变压器的设计方法有多种,个人感觉适合自己的才是最好的,选择一个自己最熟悉的,能够理解的才是最好的! 我先介绍下一种设计方法:
1.先确定输入电压。
一般是按照最低输入直流电压计算vinmin计算
a.要是直流输入按直流的最低输入来计算;
b.要是输入为交流电,一般对于单相交流整流用电容滤波,直流电压不会超过交流输入电压有效值的1.4倍,也不低于1.2倍。
例如,全范围交流输入85-265vac的电源,一般按85vac时计算,那vinmin=85*1.2=102v,一般会取整数按100vdc计算。
2.确定导通时间ton。
导通时间ton=t*d,t为周期 t=1/f,d为最大占空比,一般在最低输入电压的时候,d会最大,保证输出稳定。注意大的占空比可以降低初级的电流有效值,和mos的导通损耗,但是根据伏秒法则,初级占空比大了,次级的肯定会小,那么次级的峰值电流会变大,电流有效值变大,会导致输出纹波变大!所以,一般单端反激拓扑的占空比选取不要超过0.5。而且一般的电流控制模式,占空比大于0.5要加斜率补偿的,对调试是个难度。还有一重要的是你的占空比决定你的匝比,匝比决定啥,嘿嘿,反射电压vf,忘了再去上边看下,再加上你漏感引起的尖峰,最终影响你mos的耐压。占空比越小匝比越小,反射电压vf越低,mos的电压应力小。反之mos的电压应力大,所以占空比要考虑好了。要保证再最高电压下你的vds电压在mos的规定电压以下,最好是降额使用,流出足够的余量来!例如,电源的开关频率为100k,最低输入时的最大占空比为0.4,那t=1/100000=10μs,那么ton=0.4*10μs=4μs。
3.确定磁芯的有效面积ae。
ae一般会在磁芯的资料中给出。
4.计算初级匝数np。
np=vinmin*ton/δb*ae,式中vinmin为直流最低输入电压;ton为导通时间,ae为磁芯的有效面积,δb为磁感应强度变化量,这个值和磁芯材质,及温升等有关,一般考经验来选取,在0.1-0.3之间,取得越大,余量越小,变压器在极端情况下越容易饱和!个人一般取0.2。
5.计算次级匝数ns。
ns=(vo+vd)*(1-d)*np/vinmin*d
式中vo为输出电压
vd为二极管管压降
d为占空比
np为初级匝数
vinmin为最低输入电压
6.确定次级整流二极管的应力vdr。
上边算出变压器的初级匝数np和次级匝数ns后,就可以得出次级整流二极管的电压应力
vdr=(vinmax*ns/np)+vout
式中vinmax为最大输入电压,要保证在最高输入电压下你的二极管的电压应力不超标。一般算出来的这个vdr还要考虑降额使用,所以二极管的耐压要高于这个vdr值。
一般还要在整流管上并一个rc吸收,从而降低二极管反向回复时间造成的电压尖峰!尤其是ccm模式的时候!
7.确定初级电感量lp。
确定电感量之前我们先看下上边的两个电流图
对于上图是两种工作模式的初级电感电流波形,我加了两个参数ip1和ip2;ip1对应最低输入电流,ip2对应最高峰值电流,有上边这两个我们也就可以算出平均电流iavg了,iavg=(ip1+ip2)dmax/2,式中dmax为最大占空比,如果输出功率为pout,电源效率为η,那么
pout/η=vinmin*iavg=vinmin*(ip1+ip2)dmax/2,得出ip1+ip2=2pout/vinmin*dmax*η
然后就可以计算ip1和ip2的值了,对于dcm来说,电流是降到零的,所以ip1为零;对于ccm来说ip1和ip2都是未知数,又出来个经验选择了,一般取ip2=(2-3)ip1,不能取得太小,太小了会有一个低电流斜率,虽然这样损耗小点,但容易使变压器产生磁饱和,也容易使系统产生震荡!个人一般取ip2=3ip1。计算出ip1和ip2后,这时候可以计算初级的电感量了,在ton内电流的变化量δi=ip2-ip1,根据(vinmin/lp)*ton=/δi,得出lp=vinmin*ton/δi,到此变压器的初级电感量计算完毕,变压器的参数也计算完毕!还有一种计算方法,就是按照上边的确定初级电感量的方法先确定电感量,然后来选择磁芯,选择磁芯的方法有很多种,一般最常用的是ap法。
这个公式是看资料上的,具体我也没推倒过。可以看看赵修科老师的那本《开关电源中的磁性元器件》。
公式中l为初级电感量也就是lp,isp为初级峰值电流ip也就是δi,i1l为满载初级电流有效值,但我往往会把isp和i1l看成是一个,都是初级的峰值电流,所以仁者见仁智者见智,大家可以到应用时具体的来微调!bmax为磁感应强度变化量也就是δb.这个取值和上边一样,取得太大,磁芯小但容易饱和,而取得太小磁芯的体积又很大,所以一般折中取值!而且和频率关系也很大,要是频率很高,建议取小点,因为频率高了损耗也大,变压器大了有利于散热。个人经常取0.2!k1=jmax*ko*10-4,其中jmax为最大电流密度 俺一般取450a/平方厘米。但赵老师书里取得是420a/平方厘米。ko为窗口面积,有的也叫窗口利用率吧,一般取0.2-0.4,具体要看绕线的结构了,比如加不加挡墙等因素,所以选取时要充分考虑,免得因取得变压器太小,结构要求苛刻而绕不下,导致项目失败!10-4是由米变厘米的系数
所以上式整理下可得ap=aw*ae=(lp*ip2*104/450*δb*ko)4/3cm4,计算出了ap就可以找到合适的磁芯,然后找到ae再根据式np=lp*ip/δb*ae。式中lp就是上边算得初级电感量。
ip为初级峰值电流,δb为磁感应强度变化量,ae为磁芯的有效面积,后边的次级匝数ns和次级整流二极管电压应力的确定就和上边的步骤5和6一样了!那这两种初级匝数np的确定方法到底哪个对呢,可以告诉大家都对。根据电磁磁感应定律:
(vinmin/lp)*ton=ip
所以vinmin*ton=l*ip,所以这两个从本质上式一样的。个人觉得第一个适合有经验的工程师,可以凭经验来选择变压器,然后来计算变压器参数而第二种适合初学者,先确定变压器再算变压器参数,免得因自己经验不足而走了弯路!
变压器说到这吧,以上是自己的个人意见,欢迎大家批评指正。其实设计出来的参数仅供参考,由于变压器的漏感,pcb的布局,走线等因素会在调试时做微调,最后做出一个最优的、可靠的产品!
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