基于PQ35的开关电源设计

1.引言
　　开关电源从上世纪50年代问世至今以体积小、效率高而广泛应用于计算机、通信装备等几乎所有的电子设备。其种类繁多、形式多样，发展趋势也朝着小体积、高效率、低成本的方向发展。这里介绍的3 00 W开关电源属于隔离型硬开关、半桥式开关电源，在较低电压(1 4V)和较大电流(2 2A)输出的条件下有很好的效率及输出指标，对核心器件(例如高频变压器)进行了合理的参数及绕制工艺设计。

高频变压器是开关电源中核心能量转换部件，它和普通工频变压器一样也是通过磁耦合来传输能量的。不过在这种功率变压器中实现磁耦合的磁路不是普通变压器中的硅钢片，而是在高频情况下工作的磁导率较高的铁氧体磁芯或铍莫合金等磁性材料，其目的是为了获得较大的励磁电感、减小磁路中的功率损耗，使之能以最小的损耗和相位失真传输具有宽频带的脉冲能量[1]。

铁氧体磁芯有EC、EE、EDT、EP、 EPC、 EF、 EI、 PQ、 RM、 P、LP等多种型号，应用于各种不同的要求，其中PQ型磁芯具有磁屏蔽好的优点，减小了电磁干扰(EMI)的传播，特别适用于开关电源变压器，在50W～1 000W范围内的效果较好。

2.用PQ35/35制作300W半桥式变换器高频开关电源

2.1 300W(14V、22A)半桥式开关电源原理图

3 00 W(1 4 V、 2 2 A)半桥式开关电源原理图如图1所示。由原理图可看出，3 00 W半桥式开关电源主要由两只功率管IRFP460LC、高频变压器PQ35/35(PC40材质)、输出整流滤波电路、驱动电路、保护电路、控制电路(篇幅所限本图未给出)以及辅助电源等组成。

关于半桥式开关电源原理许多书籍已详细说明，本文不再嗷述，下面详细说明高频变压器的参数设计和绕制工艺。

2.2 300W半桥式开关电源高频变压器的参数设计与绕制

半桥式高频变压器的磁化特性工作在第一、三象限，磁通变化从一Bm到+Bm，属于对称式工作变压器，无需加气隙。

(1)估算PQ35磁芯的功率容量

开关电源变压器功率容量计算式为[2]：

式中

PT--变压器的视在功率，对于半桥式PT=(1/ η+1.4 1 4)P。，其中取效率η=8 5%，Po=300W， 则PT=777w;

Ko--窗口的铜填充系数，取0.5：

Kf--波形系数，方波时取4;

Fw--开关频率，本例为1 00KHz：

Bw--磁芯工作磁通密度，一般取1/3饱和磁通密度，本例采用P C 4 0材质，饱和磁密G s=0.39T(1 00℃)， 取Bw=0.1 3T：

Kj--电流密度比例系数，一般取400：

X--常数，由所选磁芯确定，可取一0.1 2。

则A P=(7 7 7*1 04/0.5*4*1 00*1 03*0.1 3*4 00)1.14≈0.72cm4。

也可以由下式计算[3]：

式中

Pt--变压器的标称输出功率,可取1.5Po为450W;

η--变压器的效率,这里取85%：

f--开关频率，本例为1 00KH z：

Bm--磁芯的最大磁感应强度，取1 500GS：

δ--漆包线的电流密度，1 00KHz频率可取6A/mm2：

　　Km--窗口的铜填充系数，取0.5：

　　Kc--磁芯填充系数，可取1.0。

　　则A P=4 5 0*1 06/(2*0.8 5*1 00*1 03*1 5 00*4*0.5*1)≈0.59cm4。

　　而查表P Q 3 5/3 5的A P=4.3 c m4，远远满足功率容量要求，之所以选PQ35也是为以后加大输出功率做准备。

　　(2)计算原边绕组匝数

　　原边绕组匝数可由下面公式计算：

式中

　　Kf--波形系数，方波时取

　　Pt--变压器的标称输出功 4;率，可取1.5Po为4sow;

　　Fw--开关频率，本例为η1--变压器的效率，这里 1ooKH z：

　　Bw--磁芯工作磁通密度，取0.1 3T;

　　Ae-- 磁芯有效面积，PQ35/35为196mm2;

　　V--变压器原边电压，本例中V=250*1.3/2=1 62.5V。

则Np=1 6 2.5/4*1 00*1 08*0.1 3*1 9 6*1 0-6≈ 1 5.9，取整1 6匝。后来经过实验，取20匝比较合适。(3)计算原、副边绕组匝数比及副边绕组

　　可按下式计算半桥式高频变压器的原、副边匝数比：

式中

　　Np--原边绕组匝数

　　Ns--副边绕组匝数

　　Vi n mi n--最小输入直流电压，在交流1 9 0 V加载下约为1

　　90*1.3=247V。

　　V o p--变压器应输出电压，为电源输出电压Vo、整流二级管正向压降Vdf和滤波电感直流压降V L三项之和除以占空比D，即Vop=(Vo+Vdf十VL)/D。在本例中Vo=14V、V df=0.7V、VL。=0.2V、D=0.8，则 Vop=(1 4+0.7+0.2)/0.8=18.625V

　　则Np/Ns=1/2*247/18.625≈6.6。

　　副边绕组Ns=NP/6.6=20/6.6≈ 3匝，在实验中2 0：3的匝比取得了很好的效果。

　　(4)线径和根数的选取

　　原边绕组电流为I p=2 P o/Vsη;

　　Po=Vop*22=14.9*22=327W;

　　Vsη=Vin min*η=247*98%=242.0 6，其中η为变压器的效率;

　　则 I p=2*3 2 7/2 4 2.0.6≈2.7A。

考虑趋肤效应，在l00KHzl00℃下穿透深度为△=7.6 5/F1/2≈0.242mm[4]，2△=0.484mm， 应选择直径不超过0.484mm的漆包线。考虑有漆的厚度，实际中