变压器的设计技巧

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变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,变压器的设计方法有多种,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,本文将介绍变压器的设计方法。
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

变压器


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》。

变压器

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

因此从本质上来说,两者是相同的。本人认为最适合有经验的工程师,可凭经验选变压器,然后来计算变压器参数。而第二种适合初学,先确定变压器参数,免得因自己经验不足而走了弯路!关于变压器,以上就是我个人的看法,欢迎大家批评指正。

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