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单端反激式开关电源高频变压器设计
(6 ) 式中:U I.MIN ——直流输入电源电压最小值;
-125-
制造
中国科技信息 2010 年第 4 期 A SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2010
得到主输出绕组的匝数为
(1 2 )
式中:V CEO ——开关管耐压; VRRM ——整流二极管额定反压; U2.0 ——主输出直流电压; UD ——主输出整流管压降; UI.MAX ——直流电源电压最大值; U ——开关管电压裕量;
3
i2p1 ——主输出绕组反激开始瞬间电流; i ——第二副边绕组反激开始瞬间电流。
3p1
i ——主输出绕组反激结束瞬间电流; 2p2
i3p2 ——第二副边绕组反激结束瞬间电流。 可以证明,当占空比为 0.5 时,在忽略磁芯损耗的情况下, 以有效值表征的原边绕组的安匝数等于各副边绕组安匝数之和, 即:
1p1
刻为 0,则第一个周期原边电流表示为:
将原边电流傅立叶展开:
(1 5 )
当各级绕组电流密度取相同值时,则所需要的窗口面积为:
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ACAm 反映了变压器的功率能力,所选磁芯的面积乘积必须 大于此值。
9、磁芯间隙计算 反激式开关电源所需原边电感较大,由于所选磁芯的磁导率 一般较高,故在最低电压、最大负载时容易引起磁芯饱和,导致 电感下降。故在经过上述计算后,要对各参数进行验算。
电压上升;而当开关管导通,反激过程结束,电容向负载提供 电流,电容电压下降。控制开关管 Q 的占空比,即可以稳定输 出直流电压。
2 、变压器原边工作电流
一、单端反激式开关电源变压器的工作原理
1 、概述 开关电源即利用自关断器件,通过变换技术而制成的高频开 关式直流稳压电源。本文所述开关电源仅指将市电转换成所需要 的低电压直流电源装置。高频变压器的设计是设计开关电源的关 键。 单端反激式开关电源是指变压器只有一个原边绕组,且电流 方向不改变,利用原边电流关断时,副边产生的反激电压向负 载输出电流。 众所周知,当变压器副边开路时,原边相当于一储能电感。如 图 1(a)所示,开关管 Q 导通,原边绕组接通直流高电压电源,副 边整流二极管由于承受反向电压而截止,原边电流 i 随时间线性
开关电源正是通过检测主输出绕组电压,控制开关管开关占 空比,从而稳定主输出绕组及各副边绕组的输出电压。各绕组的 反激电压与主输出绕组的反激电压的比为各绕组与主输出绕组的 匝数比。开关电源变压器副边绕组的匝数,应保证开关管在反激 时所承受的反压小于开关管的耐压,同时还要验证开关管导通 时,副边正激电压小于整流二极管所能承受的反向电压。即:
图 2 连续模式理想电流波形图 图 2 所示为电流连续模式原、副边电流理想波形图。 3、开关电源输出功率 由(3)式可以计算出变压器平均输入功率:
Ip1 ——电源电压最低,输出功率最大,开关管导通时, 原边电流初始值;
Ip2 ——电源电压最低,输出功率最大,开关管导通时, 原边电流峰值;
DMAX ——最大占空比。 4、原边电流最大值 当电源电压最低、输出功率最大时,变压器原边电流有最 大值,由(6 )式可得:
(1 0 )
由上式可见,直流电源电压越高、开关管开关频率越小, 所需要的原边绕组匝数越多;增大磁芯截面积或增大磁芯的磁 通密度,可以减小初级线圈的匝数。
7、各副边绕组的匝数 在不考虑漏磁通的情况下,各绕组的感应电动势可以表示 为:
设开关电源效率为η,则开关电源的输出功率为:
(5 )
当电源电压最低、输出功率最大时,原边电流占空比有最大值 DMAX,开关管关断瞬间,原边电流有最大值。通常设此时原边 电流峰值为初始值的 3 倍,即:Ip2=3IP1,则开关电源的额定输 出功率表示为:
EI40 满足功率输出能力要求。 2 、原边绕组匝数计算: 原边直流电压范围:
二、设计举例
设计要求: 电路型式:单边反激式;
(4 )自馈绕组: -127-
制造
中国科技信息 2010 年第 4 期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2010
匝
故自馈绕组取 4 匝。 副边整流二极管 +30V 绕组反压最大:
CE
正常工作情况下的过流检测电压 i1 均很小(<1V),故忽略 i1R 及 U C E ,( 1 ) 式 变 为 :
(2 )
则开关管导通期间,即一个脉宽的原边电流可以表示为:
(t ≤ t ≤ t )
p1
p2
(3)
式中:i ——开关管 Q 导通时,变压器原边电流初始值; p1
tp1 ——开关管导通时刻;
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tp2 ——开关管关断时刻。
-124-
可见开关管 Q 导通时,变压器原边电流随时间线性增大,当 变压器原边电流初始值 ip1 ≠ 0 时,称为电流连续模式,否则为电 流断续模式。当开关管 Q 关断瞬间,原边电流达到峰值:
(4 ) 式中:i p2 ——开关管关断瞬间原边电流; TON ——开关管导通时间,即脉宽; D ——原边电流脉冲占空比; f ——开关管开关频率。 对于小功率反激式开关电源,采用电流连续模式,可以减小原 边电流峰值及有效值,降低开关管的功耗。虽然电流连续模式需要 较大的原边电感,即高频变压器体积较大,但是对多电压输出的开 关电源,适当增大高频变压器的体积,有助于多个次级引脚的分布 及输出整流滤波电路在 PCB 板上的布局,所以对于小功率、多电 压输出的开关电源,多采用电流连续式的单端反激开关电源。
1
增加,开关管导通时间越长,电流 i1 越大,变压器储能越大;当 开关管 Q 关断,如图 1(b),原边电流 i 迅速回 0,副边反激电压
1
e2 使整流二极管导通,变压器向负载输出电流,变压器储能下 降。
一般开关电源输出端均采用电容滤波,当开关管关断,变 压器处于反激状态时,副边绕组向电容及负载提供电流,电容
窗口符合要求。
(5 )自馈绕组:
ET40 磁芯窗口面积为 1.84cm,实际窗口利用系数:
参考文献 [1] 周志敏,周纪海 .开关电源适用技术设计与应用 .人民邮电 出版社.2003 [2] 赵明生等. 电气工程师手册 .机械工业出版社. 2000 [3] 黄继昌等. 实用单元电路及其应用 .人民邮电出版社 . 2000 [4] (美)F.W.SEARS 等著;恽瑛等译 .大学物理学 .人民邮 电出版社. 1979
B
——副边整流二极管电压裕量。 其他各副边绕组的匝数为:
(13 )
式中:N n ——第 n 个副边绕组的匝数; U ——第 n 个副边绕组的输出电压。
n.0
8 、变压器磁芯选择 由于开关管在关断瞬间,磁芯中的磁通量不会突变,故有:
同理,反激结束瞬即瞬间有:
式中:N 2 ——主输出绕组匝数; N ——第二副边匝数;
(1 4 ) 式中:I 1 ——原边电流有效值; I2,I3,…——各副边绕组电流有效值。
图 3 占空比为 1/2 时原边电流理想波形图 实际上,各绕组中除了直流分量外,还含有丰富的交流分
量。图 3 是电源电压最低,负载最大,占空比 DMAX=0.5,ip2 = 3ip1 时的原边电流理想波形,图中设 t = 0,即第一个脉冲开始时
制造
中国科技信息 2010 年第 4 期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2010
单端反激式开关电源高频变压器设计
王明炎 上海大屯能源股份有限公司发电厂
摘要 随着电子技术的发展,对电源小型化的要求越来越高。开关电源以 体积小、重量轻、用材少、效率高等特点逐步成为电子工程师首 选对象;而单端反激式开关电源在小功率开关电源中结构最为简 单,且易于实现多电压输出。本文详细叙述了单端反激式开关电源 中高频变压器的设计原理,并给出具体设计示例。 关键词 高频变压器;开关电源;单端反激式
(7 )
5、变压器原边电感 由(4 )可得所需要的原边电感最小为:
或:
(8 )
6、原边绕组匝数
设当原边绕组电流有最大值 Ip2 时,磁芯中有最大磁通量为 φ ,则原边绕组的电感可以表示为:
m
(9 )
式中:A ——磁芯截面积; C
N ——原边绕组匝数; 1
B ——磁芯最大磁感应强度。 m
其中:
。
由 ( 8 )、( 9 ) 式 , 得 到 原 边 绕 组 的 匝 数 为 :
图 1 单端反激式开关电源变压器两种工作状态
图 1(a)所示,设变压器原边绕组电感为 L,直流高电
压电源电压为
U
,当开关管
1
Q
导通时,由于副边二极管
D2
反
向截止,故有:
(1 )
式中:e1 ——原边绕组感应电动势,
;
i ——原边绕组电流; 1
UCE ——开关管导通压降。 图中 R 为短路电流检测电阻,由于开关管 Q 导通压降 U 及