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      2. 變壓器設(shè)計(jì)方法

        發(fā)布時間:2024-03-01
        今天講下變壓器的設(shè)計(jì)方法!變壓器的設(shè)計(jì)方法有多種,個人感覺適合自己的才是最好的,選擇一個自己最熟悉的,能夠理解的才是最好的! 我先介紹下一種設(shè)計(jì)方法:
        1.先確定輸入電壓。
        一般是按照最低輸入直流電壓計(jì)算vinmin計(jì)算
        a.要是直流輸入按直流的最低輸入來計(jì)算;
        b.要是輸入為交流電,一般對于單相交流整流用電容濾波,直流電壓不會超過交流輸入電壓有效值的1.4倍,也不低于1.2倍。
        例如,全范圍交流輸入85-265vac的電源,一般按85vac時計(jì)算,那vinmin=85*1.2=102v,一般會取整數(shù)按100vdc計(jì)算。
        2.確定導(dǎo)通時間ton。
        導(dǎo)通時間ton=t*d,t為周期 t=1/f,d為最大占空比,一般在最低輸入電壓的時候,d會最大,保證輸出穩(wěn)定。注意大的占空比可以降低初級的電流有效值,和mos的導(dǎo)通損耗,但是根據(jù)伏秒法則,初級占空比大了,次級的肯定會小,那么次級的峰值電流會變大,電流有效值變大,會導(dǎo)致輸出紋波變大!所以,一般單端反激拓?fù)涞恼伎毡冗x取不要超過0.5。而且一般的電流控制模式,占空比大于0.5要加斜率補(bǔ)償?shù)?,對調(diào)試是個難度。還有一重要的是你的占空比決定你的匝比,匝比決定啥,嘿嘿,反射電壓vf,忘了再去上邊看下,再加上你漏感引起的尖峰,最終影響你mos的耐壓。占空比越小匝比越小,反射電壓vf越低,mos的電壓應(yīng)力小。反之mos的電壓應(yīng)力大,所以占空比要考慮好了。要保證再最高電壓下你的vds電壓在mos的規(guī)定電壓以下,最好是降額使用,流出足夠的余量來!例如,電源的開關(guān)頻率為100k,最低輸入時的最大占空比為0.4,那t=1/100000=10μs,那么ton=0.4*10μs=4μs。
        3.確定磁芯的有效面積ae。
        ae一般會在磁芯的資料中給出。
        4.計(jì)算初級匝數(shù)np。
        np=vinmin*ton/δb*ae,式中vinmin為直流最低輸入電壓;ton為導(dǎo)通時間,ae為磁芯的有效面積,δb為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量,這個值和磁芯材質(zhì),及溫升等有關(guān),一般考經(jīng)驗(yàn)來選取,在0.1-0.3之間,取得越大,余量越小,變壓器在極端情況下越容易飽和!個人一般取0.2。
        5.計(jì)算次級匝數(shù)ns。
        ns=(vo+vd)*(1-d)*np/vinmin*d
        式中vo為輸出電壓
        vd為二極管管壓降
        d為占空比
        np為初級匝數(shù)
        vinmin為最低輸入電壓
        6.確定次級整流二極管的應(yīng)力vdr。
        上邊算出變壓器的初級匝數(shù)np和次級匝數(shù)ns后,就可以得出次級整流二極管的電壓應(yīng)力
        vdr=(vinmax*ns/np)+vout
        式中vinmax為最大輸入電壓,要保證在最高輸入電壓下你的二極管的電壓應(yīng)力不超標(biāo)。一般算出來的這個vdr還要考慮降額使用,所以二極管的耐壓要高于這個vdr值。
        一般還要在整流管上并一個rc吸收,從而降低二極管反向回復(fù)時間造成的電壓尖峰!尤其是ccm模式的時候!
        7.確定初級電感量lp。
        確定電感量之前我們先看下上邊的兩個電流圖
        對于上圖是兩種工作模式的初級電感電流波形,我加了兩個參數(shù)ip1和ip2;ip1對應(yīng)最低輸入電流,ip2對應(yīng)最高峰值電流,有上邊這兩個我們也就可以算出平均電流iavg了,iavg=(ip1+ip2)dmax/2,式中dmax為最大占空比,如果輸出功率為pout,電源效率為η,那么
        pout/η=vinmin*iavg=vinmin*(ip1+ip2)dmax/2,得出ip1+ip2=2pout/vinmin*dmax*η
        然后就可以計(jì)算ip1和ip2的值了,對于dcm來說,電流是降到零的,所以ip1為零;對于ccm來說ip1和ip2都是未知數(shù),又出來個經(jīng)驗(yàn)選擇了,一般取ip2=(2-3)ip1,不能取得太小,太小了會有一個低電流斜率,雖然這樣損耗小點(diǎn),但容易使變壓器產(chǎn)生磁飽和,也容易使系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩!個人一般取ip2=3ip1。計(jì)算出ip1和ip2后,這時候可以計(jì)算初級的電感量了,在ton內(nèi)電流的變化量δi=ip2-ip1,根據(jù)(vinmin/lp)*ton=/δi,得出lp=vinmin*ton/δi,到此變壓器的初級電感量計(jì)算完畢,變壓器的參數(shù)也計(jì)算完畢!還有一種計(jì)算方法,就是按照上邊的確定初級電感量的方法先確定電感量,然后來選擇磁芯,選擇磁芯的方法有很多種,一般最常用的是ap法。
        這個公式是看資料上的,具體我也沒推倒過??梢钥纯蹿w修科老師的那本《開關(guān)電源中的磁性元器件》。
        公式中l(wèi)為初級電感量也就是lp,isp為初級峰值電流ip也就是δi,i1l為滿載初級電流有效值,但我往往會把isp和i1l看成是一個,都是初級的峰值電流,所以仁者見仁智者見智,大家可以到應(yīng)用時具體的來微調(diào)!bmax為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量也就是δb.這個取值和上邊一樣,取得太大,磁芯小但容易飽和,而取得太小磁芯的體積又很大,所以一般折中取值!而且和頻率關(guān)系也很大,要是頻率很高,建議取小點(diǎn),因?yàn)轭l率高了損耗也大,變壓器大了有利于散熱。個人經(jīng)常取0.2!k1=jmax*ko*10-4,其中jmax為最大電流密度 俺一般取450a/平方厘米。但趙老師書里取得是420a/平方厘米。ko為窗口面積,有的也叫窗口利用率吧,一般取0.2-0.4,具體要看繞線的結(jié)構(gòu)了,比如加不加擋墻等因素,所以選取時要充分考慮,免得因取得變壓器太小,結(jié)構(gòu)要求苛刻而繞不下,導(dǎo)致項(xiàng)目失?。?0-4是由米變厘米的系數(shù)
        所以上式整理下可得ap=aw*ae=(lp*ip2*104/450*δb*ko)4/3cm4,計(jì)算出了ap就可以找到合適的磁芯,然后找到ae再根據(jù)式np=lp*ip/δb*ae。式中l(wèi)p就是上邊算得初級電感量。
        ip為初級峰值電流,δb為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量,ae為磁芯的有效面積,后邊的次級匝數(shù)ns和次級整流二極管電壓應(yīng)力的確定就和上邊的步驟5和6一樣了!那這兩種初級匝數(shù)np的確定方法到底哪個對呢,可以告訴大家都對。根據(jù)電磁磁感應(yīng)定律:
        (vinmin/lp)*ton=ip
        所以vinmin*ton=l*ip,所以這兩個從本質(zhì)上式一樣的。個人覺得第一個適合有經(jīng)驗(yàn)的工程師,可以憑經(jīng)驗(yàn)來選擇變壓器,然后來計(jì)算變壓器參數(shù)而第二種適合初學(xué)者,先確定變壓器再算變壓器參數(shù),免得因自己經(jīng)驗(yàn)不足而走了彎路!
        變壓器說到這吧,以上是自己的個人意見,歡迎大家批評指正。其實(shí)設(shè)計(jì)出來的參數(shù)僅供參考,由于變壓器的漏感,pcb的布局,走線等因素會在調(diào)試時做微調(diào),最后做出一個最優(yōu)的、可靠的產(chǎn)品!
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