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反激变压器设计步骤及变压器匝数计算

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glsheng2010
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LV6
高级工程师
  • 2010-11-18 17:15:24
1. 确定电源规格.
.输入电压范围Vin=85—265Vac;
.输出电压/负载电流:Vout1=5V/10A,Vout2=12V/1A;
.变压器的效率ŋ=0.90

2. 工作频率和最大占空比确定.
取:工作频率fosc=100KHz, 最大占空比Dmax=0.45.
T=1/fosc=10us.Ton(max)=0.45*10=4.5us
Toff=10-4.5=5.5us.

3. 计算变压器初与次级匝数比n(Np/Ns=n).
最低输入电压Vin(min)=85*√2-20=100Vdc(取低频纹波为20V).
根据伏特-秒平衡,有: Vin(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1-Dmax)*n.
n= [Vin(min)* Dmax]/ [(Vout+Vf)*(1-Dmax)]
n=[100*0.45]/[(5+1.0)*0.55]=13.64

4. 变压器初级峰值电流的计算.
设+5V输出电流的过流点为120%;+5v和+12v整流二极管的正向压降均为1.0V.
+5V输出功率Pout1=(V01+Vf)*I01*120%=6*10*1.2=72W
+12V输出功率Pout2=(V02+Vf)*I02=13*1=13W
变压器次级输出总功率Pout=Pout1+Pout2=85W
1/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout/
Ip1=2*Pout/[ŋ(1+k)*Vin(min)*Dmax]
=2*85/[0.90*(1+0.4)*100*0.45]
=3.00A
Ip2=0.4*Ip1=1.20A

5. 变压器初级电感量的计算.
由式子Vdc=Lp*dip/dt,得:
Lp= Vin(min)*Ton(max)/[Ip1-Ip2]
=100*4.5/[3.00-1.20]
=250uH

6.变压器铁芯的选择.
根据式子Aw*Ae=Pt*106/[2*ko*kc*fosc*Bm*j*ŋ],其中:
Pt(变压器的标称输出功率)= Pout=85W
Ko(窗口的铜填充系数)=0.4
Kc(磁芯填充系数)=1(对于铁氧体),
变压器磁通密度Bm=1500 Gs
j(电流密度): j=5A/mm2;
Aw*Ae=85*106/[2*0.4*1*100*103*1500Gs*5*0.90]
=0.157cm4
考虑到绕线空间,选择窗口面积大的磁芯,查表:
EER2834S铁氧体磁芯的有效截面积Ae=0.854cm2
它的窗口面积Aw=148mm2=1.48cm2
EER2834S的功率容量乘积为
Ap =Ae*Aw=1.48*0.854=1.264cm4 >0.157cm4
故选择EER2834S铁氧体磁芯.

7.变压器初级匝数及气隙长度的计算.
1).由Np=Lp*(Ip1-Ip2)/[Ae*Bm],得:
Np=250*(3.00-1.20)/[85.4*0.15] =35.12 取Np=36
由Lp=uo*ur*Np2*Ae/lg,得:
气隙长度lg=uo*ur*Ae*Np2/Lp
=4*3.14*10-7*1*85.4mm2*362/(250.0*10-3mH)
=0.556mm 取lg=0.6mm
2). 当+5V限流输出,Ip为最大时(Ip=Ip1=3.00A),检查Bmax.
Bmax=Lp*Ip/[Ae*Np]
=250*10-6*3.00/[85.4 mm2*36]
=0.2440T=2440Gs <3000Gs
因此变压器磁芯选择通过.

8. 变压器次级匝数的计算.
Ns1(5v)=Np/n=36/13.64=2.64 取Ns1=3
Ns2(12v)=(12+1)* Ns1/(5+1)=6.50 取Ns2=7
故初次级实际匝比:n=36/3=12

9.重新核算占空比Dmax和Dmin.
1).当输入电压为最低时: Vin(min)=100Vdc.
由Vin(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1-Dmax)*n,得:
Dmax=(Vout+Vf)*n/[(Vout+Vf)*n+ Vin(min)]
=6*12/[6*12+100]=0.418
2).当输入电压为最高时: Vin(max)=265*1.414=374.7Vdc.
Dmin=(Vout+Vf)*n/[(Vout+Vf)*n+ Vin(max)]
=6*12.00/[6*12.00+374.7]=0.16

10. 重新核算变压器初级电流的峰值Ip和有效值Ip(rms).
1).在输入电压为最低Vin(min)和占空比为Dmax条件下,计算Ip值和K值.
设Ip2=k*Ip1.实际输出功率Pout'=6*10+13*1=73W
1/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout'/ŋ (1)
K=1-[Vin(min)* Ton(max)]/(Ip1*Lp) (2)
由(1)(2)得:
Ip1=1/2*{2*Pout'*T/[ŋ* Vin(min)*Ton(max)]+
Vin(min)* Ton(max)/Lp}
=0.5*{2*73*10/[0.90*100*4.18]+100*4.18/250.0}
=2.78A
K=1-100*4.18/[2.78*250]=0.40
Ip2=k*Ip1=2.78*0.40=1.11A
2).初级电流有效值Ip(rms)=[Ton/(3T)*(Ip12+Ip22+Ip1*Ip2)]1/2
=[0.418/3*(2.782+1.112+2.78*1.11)] 1/2
=1.30A

11. 次级线圈的峰值电流和有效值电流计算:
当开关管截止时, 变压器之安匝数(Ampere-Turns NI)不会改变,因为∆B并没有相对的改变.因此开关管截止时,初级峰值电流与
匝数的乘积等于次级各绕组匝数与峰值电流乘积之和(Np*Ip=Ns1*Is1p+Ns2*Is2p).由于多路输出的次级电流波形是随各组负载电流的不同而不同, 因而次级电流的有效值也不同.然而次级负载电流小的回路电流波形,在连续时接近梯形波,在不连续时接近三角波,因此为了计算方便,可以先计算负载电流小的回路电流有效值.
1).首先假设+12V输出回路次级线圈的电流波形为连续,电流波形:
1/2*[Is2p +Is2b]*toff/T=I02 (3)
Ls1*[Is2p –Is2b]/toff=V02+Vf (4)
Ls2/Lp=(Ns2/Np)2 (5)
由(3)(4)(5)式得:
Is2p=1/2*{2*I02/[1-D]+[V02+Vf]*[1-D]*T*Np2/[Ns22*Lp]}
=0.5*{2*1/[1-0.418]+[12+1]*[1-0.418]*10*362/[72*250]}
=5.72A
Is2b =I01/[1-D]-1/2*[V01+Vf]*[1-D]*Np2/[Ns22*Lp]
=1/0.582-0.5*13*0.582*10*362/[72*250]
=-2.28A <0
因此假设不成立.则+12V输出回路次级线圈的电流波形为不连续, 电流波形.
令+12V整流管导通时间为t’.
将Is2b=0代入(3)(4)(5)式得:
1/2*Is2p*t’/T=I02 (6)
Ls1*Is2p/t’=V02+Vf (7)
Ls2/Lp=(Ns2/Np)2 (8)
由(6)(7)(8)式得:
Is2p={(V02+Vf)*2*I02*T*Np2/[Lp*Ns22]}1/2
={2*1*[12+1]*10*362/[72*250]} 1/2
=5.24A
t’=2*I02*T/ Is2p=2*1*10/5.24=3.817us
2).+12V输出回路次级线圈的有效值电流:
Is2(rms)= [t’/(3T)]1/2*Is2p
=[3.817/3*10] 1/2*5.24
=1.87A
3).+5v输出回路次级线圈的有效值电流计算:
Is1rms= Is2(rms)*I01/I02=1.87*10/1=18.7A

12.变压器初级线圈和次级线圈的线径计算.
1).导线横截面积:
前面已提到,取电流密度j=5A/mm2
变压器初级线圈:导线截面积= Ip(rms)/j=1.3A/5A/mm2=0.26mm2
变压器次级线圈:
(+5V)导线截面积= Is1(rms)/j=18.7A/5A/mm2=3.74 mm2
(+12V)导线截面积= Is2(rms)/j=1.87A/5A/mm2=0.374mm2
2).线径及根数的选取.
考虑导线的趋肤效应,因此导线的线径建议不超过穿透厚度的2倍.
穿透厚度=66.1*k/(f)1/2 k为材质常数,Cu在20℃时k=1.
=66.1/(100*103)1/2=0.20
因此导线的线径不要超过0.40mm.
由于EER2834S骨架宽度为22mm,除去6.0mm的挡墙宽度,仅剩下16.0mm的线包宽度.因此所选线径必须满足每层线圈刚好绕满.
3).变压器初级线圈线径:
线圈根数=0.26*4/[0.4*0.4*3.14]=0.26/0.1256=2
取Φ0.40*2根并绕18圈,分两层串联绕线.
4).变压器次级线圈线径:
+5V: 线圈根数=3.74/0.1256=30
取Φ0.40*10根并绕3圈, 分三层并联绕线.
+12V: 线圈根数=0.374/0.1256=3
取Φ0.40*1根并绕7圈, 分三层并联绕线.
5).变压器绕线结构及工艺.
tzx1976
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LV6
高级工程师
  • 2010-11-22 07:57:40
  • 倒数7
 
感谢楼主分享! 有个问题问下: Ap =Ae*Aw=1.48*0.854=1.264cm4 >0.157cm4, 计算值是0.157cm4, 取1.264cm4 , 余量是不是大了. 本人对开关电源还未入门, 提的不对请不要见笑.
oyangao
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LV6
高级工程师
  • 2010-11-24 11:39:29
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期待讲解,正为此事迷惑不解,谢谢!
00iceboy00
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LV2
本网技师
  • 2010-11-24 16:45:06
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弱弱的问一句在计算Np的时候为什么是Ip1-Ip2&nbsp;&nbsp;?
lxfyang998
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LV6
高级工程师
  • 2010-11-24 16:50:22
  • 倒数4
 
多谢啦!
richardw
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LV6
高级工程师
  • 2010-11-24 16:55:01
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感谢分享。。
radiatiom
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LV3
助理工程师
  • 2011-6-28 17:35:39
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好像是网上转载的
mtk1625
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LV6
高级工程师
最新回复
  • 2021-7-19 20:12:44
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第三步,Vf是怎么得出来的?谢谢
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