2019.08.21更新:反激辅助电源设计
一、基本输入输出参数
辅助电源输入电压:10 ~ 56V
输出电压: 5V @ 0.4A; 5V@ 0.2A; 12V @ 0.1A,设计总输出功率为5W
其中
5V@0.4A输出组经线性稳压器降压后,为逻辑单元供电,
包括数字电源控制芯片STM32F334、WiFi模块NODEMCU(调试用)、3.2寸串口屏。
二、反激变换器设计
反激变换器设计为临界工作模式,r = 2,方便进行环路补偿, 开关频率为100kHz
a.反激变压器参数确定
1、选择合适的VOR
由于系统最大输入电压为56V,在这里选择耐压为120V的NCEP1212AS
,100℃时电流为8A,粗略估算,满足电流要求。稳压二极管耐压为60V,暂未选择型号。
设定VOR = 0.7Vzener,即42V。当输入电压为10V时,占空比最大,Dmax = 42 / (10 + 42) = 0.8077
2、计算匝比n(n = Np/Ns)
定义n1、n2、n3分别为原边绕组与副边5V 5V 12V绕组的匝比,
因为"副边绕组电压 = 对应绕组整流后输出电压 + 二极管压降",
所以5V输出绕组与原边对应匝比为 n1 = n2 = 42 / (5 + 1) = 7,
12V输出绕组与原边对应匝比为n3 = 42 / (12 + 1) = 3.23,二极管压降定为1V
3、计算最大占空比
预估电源在10V输入电压下的满载效率为0.7,按此参数计算, 输入电流 = 5W / 10V / 0.7 = 0.714A
将输出功率等效到5V单输出绕组,此时Io = 5W / 5V = 1A ,根据匝比,Ior = 1 / 7 = 0.1429A
实际最大占空比 Dmax = 0.714 / (0.714 + 0.1429) = 0.83
4、计算原边最大电感量
L = V*Ton/△I, 其中 V = 10V, Ton = Dmax / fsw, △I = Ior / (1 - Dmax),
代入计算得原边电感量为48.6uH
5、选择合适的磁心
根据公式 Ve = 效率 * (2 + r)^2/r*Pin / f cm3计算出磁心Ve为400mm3,选择EFD15磁心,
磁心材料为PC40。
6、计算原副边匝数
根据公式Bmax = L* Ipk / (N * Ae)计算原边匝数, 其中Bmax定在0.2T左右,通过EXCEL计算出原边匝数为28,副边匝数分别为4 , 4, 8
7、计算磁心气隙
根据L = 1/z * u0 * ur *Ae / le * N^2,z = (ur * lg + le) / le 计算气隙,
lg = (u0 * ur *Ae / le * N^2 / L * le - le) / ur = 0.28mm,其中ur = 1600, Ae , Le对应磁心Ae , Le, N为原边匝数, L为原边电感量(先前计算值)
8、选择合适的导线
集肤深度 = 60 / sqrt(f) = 0.19,根据表中推荐值选择AWG25号漆包线,直径0.44 ~ 0.45mm, 对应截面积为0.159mm
电流密度为6A/mm2
原边峰值电流中心值为 0.1429 / (1 - Dmax) = 0.857A, 对应导线截面积需求为 0.857 / 6 = 0.145mm2 < 0.159mm,满足要求
考虑到实际工作时,温升要求不高,因此定副边5V 5V 12V导线股数分别为2、 1、 1
9、选择合适的绕组层叠结构
目前还没买到磁心、骨架和铜线,因此先做个这样的设想
a.原边绕组分为2个,一个在最内,一个在最外;
b.副边5V,0.4A绕组在内二层,12V在内三层, 5V,0.2A在内四层,如下图示
附计算表
留白 | MIN | TYPE | MAX | 备注 | 列1 |
VIN/V | 10 | | 60 | | |
VMOS_D/V | 120 | | | | |
Vzener/V | 60 | | | | |
VOR/V | 42 | | | | |
D(theory) | 0.411764706 | | 0.807692308 | | |
5V输出电压/V | | 5 | | | |
12V输出电压/V | | 12 | | | |
二极管压降/V | | | 1 | | |
5V绕组匝比 | | 7 | | | |
12V绕组匝比 | | 3.230769231 | | | |
总输出功率/W | | | 5 | | |
5V等效IO/A | | | 1 | | |
5V等效IOR/A | | | 0.142857143 | | |
效率 | 0.7 | | 0.8 | | |
输入电流/A | | | 0.714285714 | | |
实际占空比 | | | 0.833333333 | | 0.857142857 |
Fsw | | 1.00E+05 | | | |
Ton/us | | | 8.33E+00 | | |
Et/V*us | | | 8.33E+01 | | |
rriple ratio | 0.5 | | 2.00E+00 | | |
△ILp(DCM) | 0.428571429 | | 1.71E+00 | | |
ILOPK(DCM) | 3 | | 6.00E+00 | | |
Lp | 4.86E+01 | | 1.94E+02 | MIN为临界模式电感值 | |
Ls(5V) | 9.92E-01 | | 3.97E+00 | MIN为临界模式电感值 | |
Ls(12V) | 4.66E+00 | | 1.86E+01 | MIN为临界模式电感值 | |
Ve/mm3 | | 4.00E+02 | | TYPE为临界模式Ve值 | |
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磁心参数 | 列1 | 列2 | 列3 | 列4 | |
型号 | EFD15 | 骨架5+5_SMD | | | |
Ve/mm3 | 510 | | | | |
Ae/mm2 | 15 | | | | |
Le/mm | 34 | | | | |
Np | 28 | | | | |
Bmax/T | 1.98E-01 | | | | |
Ns_5V | 4 | | | | |
Ns_12V | 8.666666667 | 8 | 0.000787763 | | |
Vo_12/V | 11 | | | | |
ur | 1600 | | | | |
Lg/mm | 0.28 | | | | |
z | 14.17647059 | | | | |
Lp/uH | 4.91E+01 | | | | |
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导线参数 | 列2 | 列3 | 列4 | 列5 | |
集肤深度/mm | 0.19 | | | | |
导线直径/mm | 0.38 | 0.45 | AWG25/320cmil | | |
导线截面积/mm | 0.159043128 | | | | |
载流密度/(A/mm2) | 5 | | | | |
单根导线载流量/A | 0.79521564 | | | | |
原边股数 | 1 | | | | |
副边5V股数 | 4 | | | | |
副边5V_CAN股数 | 1 | | | | |
副边12V股数 | 1 | | | | |
三、电路设计
待画图