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单端反激式DC-DC开关电源变压器的设计全过程.pdf

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DC-DC开关电源变压器的设计

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单端反激式DC/DC开关电源变压器的设计全过程,xuguoping分享与世纪电源网的网友 变压器的参数计算: (1) 变压器的设计要求: 输出电压:10V~3KV,8mA(变压器输出之后三倍压) 输入电压:24 ± 1V 工作频率:50KHZ 最大占空比:45% 变换效率:80% (2) 基本参数计算: 输入最小电压: VIN min =VIN - V =24-1-0.5 =22.5V 输出功率: POUT = UOUT IOUT = 3000 × 0.008 = 24(W ) 输入功率: PIN = POUT η (3) = 24 = 30(W ) 0.8 选择磁芯: 由于输出功率为 24W,需要留有一定的余量,选择磁芯的型号为:EI-28。其具体参 数如下: 材料:PC40;尺寸:28.0*16.75*10.6(mm); AP :0.6005( cm4 ); Ae :86 mm2 AW :69.83 mm2 ; AL :4300 nH / N 2 ; BS :500mT( 25o C ) 390mT(100o C ) 使用时为防止出现磁饱和,实取磁通密度 Bm = 250 mT (4) 粗略估计匝数比以及最大占空比(通过实际计算) N = VOUT (1 − DMAX ) V D IN min MAX = 3000 × 0.55 22.5 × 0.45 = 162.9 (求出结果后然后取整为 Nm) 因为匝数比可以根据设计理念修正为 NM =165,从而可以产生新的 DMAX DMAX = VOUT NM VIN min + VOUT = 3000 22.5 ×165 + 3000 = 44.7% (5) 计算初级平均电流,峰值电流和电流的有效值 由于输出功率为 24W,用电流连续模式(CCM)比较适合。这里取 KRP 为 0.6 η I P. AVG = PIN VIN min = POUT VIN min = 24 0.8 × 22.5 = 1.333A IP = [1 − I P.AVG 1 2 KRP ]DMAX = 1.333 (1 − 0.5 × 0.6) × 0.447 = 4.26A I P.RMS = I P DMAX ( K RP2 3 − KRP + 1) = 4.26 0.447 × (0.12 − 0.6 + 1) = 2.054A I P.RMS -电流有效值, IP -峰值电流, I P.AVG -平均电流, KRP ( KRP = IR IP )电 流比例因数, DMAX -最大占空比; 利用 Krp 的值可以定量描述开关电源的工作模式,若 Krp=1.0,即峰值电流和脉动电流 相等,开关电源工作在断续模式;若 Krp<1.0,峰值电流大于脉动电流,开关电源工作在连续 模式。对于给定的交流输入范围,Krp 越小意味着更为连续的工作模式和较大的初级电感量, 并且 Ip 和 Irms(初级有效值电流)较小。 (6) 计算初级电感: LP = VIN t min ON IR = η (VIN min DMAX )2 (1 − 1 2 K RP ) POUT fKRP = 0.8 × (22.5 × 0.447)2 (1 − 0.5 × 0.6) 24 × 50 ×103 × 0.6 = 78.7μ H (7) 计算初级以及次级绕组圈数: NP = VIN t min ON Bm Ae = VIN min DMAX fBm Ae = 50 22.5 × 0.447 ×103 × 0.25 × 86 ×10−6 = 9.4 NS = NM NP = 165*9.4 = 1551 这里取 NP 为 10 匝, NS 为 1551 匝。 NP -初级绕组圈数, Bm :磁通密度, Ae —磁心横截面积(m^2), NS -次级绕组线圈 (8) 计算次级峰值电流以及电流有效值: IS = IP NM = 4.26 165 = 25.8mA IS.RMS = IS (1 − DMAX )( KRP2 3 − K RP + 1) = 25.8 × (1 − 0.447) × (0.62 − 0.6 + 1) 3 = 13.8mA IS.RMS -次级电流的有效值, IS -次级峰值电流; (9) 计算次级电感量: LS = η NM 2 LP = 0.8 ×1652 × 78.7 ×10−6 = 1.71H (10) 功率容量: AP = AW × Ae = 2η PT ×106 fBmδ Km KC (24 + 24 ) ×106 = 0.8 2 × 0.8 × 50 ×103 ×1500 × 3× 0.4 ×1 = 0.25cm4 <0.6005 cm4 上式中 AW :磁芯窗口面积( cm2 ); Ae :磁芯截面积( cm2 ); PT :变压器的标称输出 电压(W);δ :线圈导线的电流密度( A / mm2 ); Km :窗口的填充系数; KC :磁芯的 填充系数,这里取经验值进行计算,其中 δ =3; Km =0.4; KC =1。 (11) 变压器磁芯气隙(原理就是磁芯和空气串联):(二选一) 如果变压器工作时,磁通不能回到始发点,变压器的磁通会随着反复工作逐步增大,将 导致磁通饱和,尖峰电压和浪涌电流,立刻烧坏主功率开关管解决磁通复位的问题,就是靠 增加气隙解决。合理的气隙不但能使变压器稳定工作,也可以增加电源输出功率,减少变压 器的高频磁芯损耗,并且可以进一步提高开关频率,降低初次级的纹波电流。 Lg = 0.4π LP IP2 BAe = 0.4π × 78.7 ×10−6 × 4.262 0.25 × 0.86 = 0.008348cm 根据经验,实际变压器的气隙值要大于计算值,气隙取 Lg =0.5mm。磁芯 EI28 两侧各 留 0.5mm 的气隙。 (12) 确定导线规格: 初级绕组导线截面积: SP = I P.RMS δ = 2.054 3 = 0.6847mm2 次级绕组导线截面积: SS = I S.RMS δ = 13.8 ×10−3 3 = 4.6 ×10−3 mm2 初级绕组导线直径: dP = 1.13 SP = 1.13× 0.6847 = 0.9350mm 次级绕组导线直径: dS = 1.13 SS = 1.13× 4.6 ×10−3 = 0.0766mm 至此,单端反激式 DC/DC 开关电源变压器的设计就完成了。根据设计结果,选择符合 规格的磁芯和导线,绕制变压器。 xuguoping分享与世纪电源网的网友

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