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  反激式开关电源变压器是指使用反激高频变压器隔离输入输出回路的开关电源. 反激式开关电源变压器 反激式开关电源变压器 "反激"(FLY BACK)的具体所指是当输入为高电平(开关管接通)时输出线路中串联的电感为放电状态,相反当输入为高电平(开关管断开)时输出线路中的串联的电感为充电状态. 与之相对的是"正激"(FORWARD)式开关电源,当输入为高电平(开关管接通)时输出线路中串联的电感为充电状态,相反当输入为高电平(开关管断开)时输出线路中的串联的电感为放电状态,以此驱动负载.
    反激式开关电源变压器的设计
最近要设计了一个小功率反激式开关电源变压器(12W),查阅了相关资料,发现关于开关变压器的设计公式有很多,而且计算结果相差很多,本来对开关电源的设计就不是很了解,现在更蒙了,恳请各位老师指点。
反激式开关电源变压器 电源参数:输入85--264VAC.输出电压电流:12V/1A.开关频率66KHz 。最大占空比取0.45。磁芯选用EI22,有效截面积约为33平方毫米。
我计算出的初级峰值电流:0.437A, 匝比:0.1506。初级电感量:4.115mH.次级匝数11。初级匝数:73。
反激式开关电源变压器的设计
       反激式变压器是反激开关电源的核心,它决定了反激变换器一系列的重要参数,如占空比D,最大峰值电流,设计反激式变压器,就是要让反激式开关电源工作在一个合理的工作点上。这样可以让其的发热尽量小,对器件的磨损也尽量小。同样的芯片,同样的磁芯,若是变压器设计不合理,则整个开关电源的性能会有很大下降,如损耗会加大,最大输出功率也会有下降,下面我系统的说一下我设计变压器的方法。
设计变压器,就是要先选定一个工作点,在这个工作点上算,这个是最苛刻的一个点,这个点就是最低的交流输入电压,对应于最大的输出功率。下面我就来算了一个输入85V到265V,输出5V,2A 的电源,开关频率是100KHZ。
       反激式电源变压器参数的确定法
       变压器的设计有赖于设计者的经验和灵感的地方颇多。经验丰富的设计者,首先从给出的规格确定变压器匝数,然后从匝数用理论公式算出其它参数。而对于初学者来说,匝数选用几匝为好?为什么可假定匝数?不知如何是好。
研究人员提出从规格可确定的参数和必须假设的参数,把它们作为已知参数,再用电磁学理论公式,经验公式或近似公式,研讨变压器参数的确定,而与决窍无关。
2已知参数
2.1从输入输出规格确定的已知参数
①原级输入电压:Vi
②次级输出电压:Vo
③次级输出平均电流:Io
④次级输出功率:Po
上述参数中,Vi是电容器滤波后电压,采用约85%的交流输入电压最小值倍,其值为交流最小输入电压峰值减去脉动电压。脉动电压与输入滤波电容器的电容值大小有关,因此假设有约15%的下降。这样推导出的变压器参数,即使在输入电压为最小的情况下,也能确保输出规格要求。
2.2由假设确定的已知参数
①输入输出间效率:η
②原级输入功率:Pi
③开关频率:f
④开关周期:T
⑤开关导通时间:Ton
⑥开关断开时间:Toff
⑦磁芯气隙长度:lg
上述参数中,输入输出间效率η,一般开关电源为70~80%,因此假设为75%左右。它和2.1的次级输出功率Po可导出原级输入功率:Pi=Po/η。
开关频率f由开关控制用IC外的条件确定;从f可确定开关周期T。
开关导通时间Ton,设定为即使在输入电压为最小值的情况下,也能有充裕的向变压器输入能量时间(变压器原线圈接通时间)的占空因数50%。从Ton也可确定开关断开时间Toff。
关于lg,在磁芯产品目录上AL-气隙关系中为0.1~1.0mm,在此范围内先适当试选一种;再用变压器参数推导过程中的判定条件的结果进行校核,最终确定。
AL是磁芯的电感系数,表示在单位面积、单位长度的磁芯上绕单位匝数时的电感。磁芯气隙lg为零时的电感由下式表示:

2.3由试选磁芯的产品目录确定的已知参数
①磁芯向有效截面积:Ae
②磁芯向有效磁路长度:le
③相对幅值磁导率:μa
④饱和磁通密度:Bs
上述参数,必须根据次级输出功率Po,和产品目录上输出功率大致相同的磁芯尺寸,来试选磁芯;再根据参数推导过程中的判定条件,来判断试选磁芯是否合式不合式要另选磁芯。
另外,用于判定条件中的饱和磁通密度Bs,受温度引起的变化比较大,应采用产品目录上最高温度下的数据再降低15~20%时的值。
3推导参数所用的定律、条件和近似
表1列出了导出参数所用的定律、条件和近似。
(1)安培环路积分定律
(2)法拉第电磁感应定律
(3)原级-次级间电压/匝数关系
(4)原级-次级功率关系式
(5)能量守恒定律
(6)安匝数相等定律
(7)原级-次级间电感关系式
(8)克希霍夫电压定律
(9)磁场/磁通密度/磁通关系式
(10)小的气隙时,磁芯有效截面积Ae近似等于气隙磁通截面积Ag
(11)磁芯使用的判定条件
表1汇总上述各定律、条件、近似中的各参数。
原级-次级间电压/匝数关系式,是根据法拉第电磁感应定律中与原线圈和副线圈交链的磁通是相同的假设推导出的;再由这一关系式和能量守恒定律推导出安匝数相等定律。用原级-次级间电压/匝数关系式和安匝数相等定律及能量守恒定律关系式得出原级-次级间的电感关系式。

图1中,通过磁芯中包括气隙在内的闭合磁通是一定的,因此,磁场、磁通密度、磁通关系中,磁芯内部磁通φc和气隙磁通φg相等。但是如图1所示,气隙中磁力线向外扩张,严格说来,磁芯内磁通密度Bc和磁芯有效截面积Ae,与气隙内磁通密度Bg和气隙磁通通过面积Ag不相等。但气隙长度lg小时,磁力线扩长少,因此,可近拟认为Ae≈Ag,也可近似认为Bc≈Bg。
关于磁芯使用的判定条件,如果磁芯产生磁饱和,就不能起变压器的作用。因此,磁芯使用的条件是磁芯即使在原级峰值电流下也不产生磁饱和。
4推导变压器原级参数Lp和Np
4.1推导原级电感Lp
首先求原级电感Lp:将由克希霍夫电压定律求得的原级峰值电流Ipp表示式,代入原级功率Pi表示式中,消去Ipp,即可求得Lp:

4.2推导原线圈匝数NP
利用Bc≈Bg的近似关系,将磁场关系式中的Hc和Hg变换成用Bc表示,再将它们代入安培环路积分公式中得:

由此式可求得Bc为:

将此Bc代入法拉第电磁感应定律得:

将此式与原级克希霍夫电压定律比较,即可求得原线圈匝数:

4.3磁芯使用的判定条件
根据由上述①和③式求得的变压器参数:原级电感Lp和原线圈匝数Np,检验是否满足磁芯使用的判定条件和下述的线径条件,最后确定使用磁芯。
为了检验磁芯使用的判定条件,首先用①式的Lp,由克希霍夫电压定律求出原级峰值电流Ipp。用Ipp和由③式求得的Np,由②式求出磁芯内产生的峰值磁通密度Bcp。看此Bcp是否小于磁芯饱和磁通密度Bs,即是否满足:

据此判断试选的磁芯是否能用。
接着,根据上述Ipp,由积分公式

求出电流有效值Irms。用满足允许电流线径的导线情况下,磁芯形状应能确保原线圈匝数Np。线径允许电流,以铜线为例,大致标准定为2.5A/mm2。
4.4确定使用磁芯
满足上述饱和磁通密度条件和允许电流条件,可将上述试选的磁芯作为正式磁芯使用。
不满足上述条件,应重新调整气隙长度lg或者另选磁芯,再次计算②~④式,改变参数的满足上述条件。当上述④式右端计算结果超过Bs时,可减小原线圈匝数Np或原级峰值电流Ipp;或者增大le/μa或lg,使其满足要求。
其中原级峰值电流Ipp,由于①式中求原级电感Lp的参数Vi、Ton、Pi、T都是由规格和假设给定为已知值,因此Lp是不许变化的;由原级克希霍夫电压定律求得的Ipp也是固定值。
其中的le/μa,由于μa=3000~4000,很大,因此,即使选用有效磁路长度le大的磁芯,也几乎不能增大④式右端计算结果。因此,le/μa认为是不变量。
余下的可变参数就是原线圈匝数Np和磁芯的气隙长度lg。在减小Np的情况下,由于Lp是不许变化的,由③式推导出正式

由(5)式可知,为了减小Np而又不使Lp变化,就必须另选有效截面积Ae大的磁芯。
另外增大lg,比较(4)和(5)可知,必须是既能减小磁芯由峰值磁通密度Bcp、又不使Lp值变化的lg和Np的组合。
5推导变压器次级参数

5.1推导副线圈匝数Ns
在能量守恒定律中η=1的情况下,原-次级间能量关系式用Vi、Vo1、Lp、Ls表示的第3个公式中,代入原-次级间电感关系式Ls,就可推导副线圈匝数Ns:

另外,由原级克希霍夫电压定律第3个公式可知:Vi·Ton=Lp·Ipp,所以

5.2η=1时的Vo1/Isp1和η≠1时的Vo/Isp的关系
当效率η变化时,磁芯形状、材料和变压器匝数不变,原、次级电感Lp、Ls也不变。比较能量守恒定律中η=1和η≠1的情况,可得如下电压关系和电流关系:

5.3由已知值求副线圈匝数Ns
由上述(6)、(7)求得的副线圈匝数Ns,是用η=1时次级输出电压Vo1和原级输入电压Vi或原级峰值电流Ipp表示的。如果将上述Vo1用由(8)式求得的Vo来表示,则Ns可用下式表示:

在设计反激式电源变压器中,能确定变压器的三个参数:原级电感Lp、原线圈匝数Np和副线圈匝数Ns,就可以设计变压器,然后试制,上机试验最终确认输出电压和电流、温升等。
如果有不合适的地方,就重新再调整设计。再调整设计也不是暗中摸索,而是根据理论公式来确定参数。对于初学者也可减小再设计重新调整次数。

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