实例讲解电源高频变压器的设计方法

摘要：本文通过实例介绍了开关电源中高频变压器的设计方法

叙词：开关电源 高频变压器

Abstract：the design method of high frequency transformer in SMPS is introduced through example.

Keyword：SMPS high frequency trnformer

设计高频变压器是电源设计过程中的难点，下面以反馈式电流不连续电源高频变压器为例，向大家介绍一种电源高频变压器的设计方法。

设计目标：电源输入交流电压在180V~260V之间，频率为50Hz，输出电压为直流5V、14A，功率为70W，电源工作频率为30KHz。

设计步骤：

1、计算高频变压器初级峰值电流Ipp

由于是电流不连续性电源，当功率管导通时，电流会达到峰值，此值等于功率管的峰值电流。由电感的电流和电压关系V=L*di/dt可知：

输入电压：Vin(min)=Lp*Ipp/Tc

取1/Tc=f/Dmax，则上式为：

Vin(min)=Lp*Ipp*f/Dmax

其中：　　 V in　： 直流输入电压，V

Lp　 ： 高频变压器初级电感值，mH

Ipp　： 变压器初级峰值电流，A

Dmax： 最大工作周期系数

f　　： 电源工作频率，kHz

在电流不连续电源中，输出功率等于在工作频率下的每个周期内储存的能量，其为：

Pout=1/2*Lp*Ipp2*f

将其与电感电压相除可得：

Pout/Vin(min)=Lp*Ipp2*f*Dmax/(2*Lp*Ipp*f)

由此可得：

Ipp=Ic=2*Pout/(Vin(min)*Dmax)

其中：Vin(min)=1.4*Vacin(min)-20V(直流涟波及二极管压降)=232V，取最大工作周期系数Dmax=0.45。则：

Ipp=Ic=2*Pout/(Vin(min)*Dmax)=2*70/(232*0.45)=1.34A

当功率管导通时，集极要能承受此电流。

2、求最小工作周期系数Dmin

在反馈式电流不连续电源中，工作周期系数的大小由输入电压决定。

Dmin=Dmax/[(1-Dmax)*k+Dmax]

其中：k=Vin(max)/Vin(min)

Vin(max)=260V*1.4-0V(直流涟波)=364V，若允许10%误差，Vin(max)=400V。

Vin(min)=232V，若允许7%误差，Vin(min)=216V。

由此可得：

k=Vin(max)/Vin(min)=400/216=1.85

Dmin=Dmax/[(1-Dmax)*k+Dmax]=0.45/[(1-0.45)*1.85+0.45]=0.31

因此，当电源的输入直流电压在216V~400V之间时，工作周期系数D介于0.31~0.45之间。

3、计算高频变压器的初级电感值Lp

Lp=Vin(min)*Dmax/(Ipp*f)=216*0.45/(1.34*30*103)=2.4mH

4、计算出绕组面积Aw和铁心有效面积Ae的乘积Aw*Ae,选择铁心尺寸。

如果我们只绕初级于线架上，则：

Aw*Ae=(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax

其中：d为绝缘线的直径，Bmax选择为Bsat/2。

在反馈式变压器中，如果初级占30%的绕组面积，则其余的70%为次级和绝缘空间，因此，Aw*Ae须再乘以3倍，为了安全起见，我们将其提高为4倍。因此，

Aw*Ae=4*(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax

此式只是估算，最后铁心和线架的选择是可以改变的。

假设选择绕组绕线的电流密度为400c.m/A，则400c.m/A*1.34A=536(c.m),我们参考美国线规(AWG)，取NO.22AWG导线，其值为0.028IN。我们选择TDK　H7C1材料的E-E型铁心，它在100℃时，Bsat=3900G，Bmax=Bsat/2=1950G，可得：

Aw*Ae=4*(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax

=4*(6.33*2.4*103*1.34*0.0282)*108/1950

=3.27cm4

由TDK目录中可查得EE42*42*15的铁心和线架Aw*Ae=1.83cm2*1.83cm2=3.33cm4，因此，我们选用此铁心。

5、计算空气间隙长度Lg

在反馈式电源变压器中，磁通只在第一象限中变化，电流磁通量不会出现负值。为防止变压器饱和，可以采用大体积铁心或在磁通路径上使用空气间隙，为减少电源体积，我们采用间隙法，使磁滞回路变的平坦，在相同的直流偏压下可降低工作的磁通密度。

在磁通路径上，空气间隙会产生较大的磁阻，因此，变压器所存储的大部分能量是在空气间隙中，空气间隙体积为Vg，长度为Lg。由，

1/2*Lp*Ipp2=1/2*Bmax*H*Vg*108

Vg=Ae*Lg

u0H=Bmax/(0.4*π)

u0 ：空气磁导率=1

可得：

Lg=0.4*π*Lp*Ipp2*108/(Bmax2*Ae)=0.4*π*2.4*10-3*1.342*108/(19502*1.82)=0.078cm

因此，我们在E-E铁心中心柱分割0.078cm的间隙。

6、计算变压器初级线圈Np

Np=Lp*Ipp*108/(Ae*Bmax)=2.4*10-3*1.34*108/(1.82*1950)=90(T)

7、计算变压器次级线圈Ns

在输入电压最小、工作周期最大时，计算变压器次级线圈Ns。

Vout+Vd=Vin(min)*Dmax/(1-Dmax)*Ns/Np　　　 (Vd是整流管压降)

Ns=Np*(Vp+Vd)*(1-Dmax)/(Vin(min)*Dmax)

=90*(5+1)*(1-0.45)/(232*0.45)

=2.84(T)

取整数为3圈。

电源输入电流为14A，400c.m/A*14A=5600(c.m)，考虑到集肤效应和生产作业方便，我们采用1400c.m，4条线并联联使用，AWG NO：18即可。

高频变压器的设计方法很多，希望此例对大家有所帮助。