5V2A高频变压器设计及参数

5V,2A 反激式電源變壓器設計

要求:

VinAC = 85V ~ 265V f= 50/60Hz

Vout = 5V + 5%

Iout = 2A

纹波电压 = 20mv

Vbias = 22V, 0.1A (偏置線圈電壓取 22V, 100mV)

η = 0.8-0.85

fs = 60KHz

計算過程:

1.設工作模式為 DCM 臨界狀態.

Pout = 5*2 = 10W

Pin = Pout/η= 10/0.8 = 12.5W

V inDCmin = 85* 2-30(直流紋波電壓)= 90V V inDCmax = 265* 2=375V

2.匝數比計算 , 設最大占空比Dmax = 0.45 :

13918.12)

45.01(*)2.05.05(45.0*90)1(*)d out (*n max max min in ≈=-++=-++=D V V V D V L DC 式中:

Vd 為輸出整流二極管導通壓降,取0.5V;

VL 為輸出濾波電感壓降, 取0.2V.

3.初級峰值電流計算:

A D V P I DC 494.045

.0*9010*2*out 2p max min in ===

4.初級電感量計算:

H H I V D L DC u 62110*621494

.0*10*13290*45.0p *fs *p 63min in max ====

5.變壓器磁芯選擇EFD20, 參數如下:

Ae = 28.5mm 2 AL = 1200+30%-20%nH/N 2 Le = 45.49mm Cl =

1.59mm -1 Aw = 50.05mm 2 Ap = 1426.425mm 4

6.初級繞組,次級繞組及偏置繞組匝數計算:

)(5482.53285

.0*2.010*10*621*494.0e *w 10*p *p p 4

64匝≈===-A B L I N )(515.413

54n p s 匝≈===N N 匝2091.192

.05.055*)7.022(s *)(b d out bd b ≈=+++=+++=L V V V N V V N 式中:

Lp 為初級電感量, 單位H;

Ip 為初級峰值電流, 單位A;

Bw 為磁芯工作磁感應強度, 取0.2T,單位為T;

Ae 為磁芯截面面積, 單位為cm 2;

Vb 為偏置繞組電壓Vbias=22V ;

Vbd 為偏置繞組整流二極管壓降,取0.7V.

7.氣隙長度計算:

0.168mm cm 0168.010

*62110*285.0*54*14.3*4.0p 10*e *p 4.0g 68

282====---L A N L π 式中:

Lg 單位為cm;

Lp 單位為H;

Ae 單位為cm 2.

8.重新核算占空比Dmin,Dmax 及最大磁通密度Bmax:

(1).當輸入電壓為最低時:V inDCmin =90V

4515.090

13*)2.05.05(13*)2.05.05(V n *)(n *)(max inDCmin d out d out =+++++=+++++=L L V V V V V V D (2).當輸入電壓為最高時:V inDCmax =375V

1649.0375

13*)2.05.05(13*)2.05.05(V n *)(n *)(min inDCmax d out d out =+++++=+++++=L L V V V V V V D (3).Bmax

uass 3000uass 1993100*285

.0*54494.0*621100*e *p p *p max G G A N I L B <=== 式中:

Lp 單位為uH; Ip 單位為A; Np 單位為N(匝); Ae 單位為cm 2.

9.繞組線徑計算及窗口占有率:

肌膚深度:mm 182.010

*1321.66fs 1.663===d , 2d = 0.364mm 線徑選取需滿足:導線直徑需大於兩倍的肌膚深度時,需采用多股線.

假設電流密度 J=4A/mm 2

(1).初級繞組線徑計算:

Ip=0.494A,

I RMS =Ip*max D =0.494*45.0=0.331A ,22mm 0827.0/mm

4.3310w ==A A A ,查表采用Aw = 0.0962mm 2的導線,其裸銅線徑為0.35mm<0.364mm(肌膚深度), 包括皮膜最大直徑為0.402mm.占有窗口面積為Wa=54*0.4022=8.7266mm 2.

(2).次級繞組線徑計算:

Io=2A, I RMS =Io=2A,Aw=2A/4=0.5mm 2,多股并繞采用Aw=0.1257mm 2的導線, 其裸銅線徑為0.4mm,采用0.5/0.1257=4股并繞, 包括皮膜最大直徑為0.456mm. 占有窗口面積為Wa=5*4*0.4562=4.1587mm 2.

(3).偏置繞組線徑計算:

Io=0.1A, I RMS =Io=0.1A,Aw=0.1A/4=0.025mm 2,采用Aw=0.0254mm 2的導線,其裸銅線徑為0.18mm<0.364mm(肌膚深度), 包括皮膜最大直徑為0.226mm.占有

窗口面積為Wa=20*0.2262=1.0215mm2.

全部繞組占有窗口面積為=8.7266+4.1587+1.0215=13.9068mm2.占總窗口面積=(E-D)*F=50.05mm2的27.8%.

10.結構設計:

EFD20磁芯的骨架,窗口長度13.5mm,寬度10.5mm.如下圖示:

初級繞組導線最大直徑為0.402mm,每層可繞13.5/0.402=33.5匝,54匝要用2層,每層分別繞30匝,24匝,每層厚度為0.402mm.

次級繞組導線最大直徑為0.456mm,每層可繞13.5/0.456=29.6匝,5匝只要用1層,厚度為0.456mm.

偏置繞組導線最大直徑為0.226mm,每層可繞13.5/0.226=59.7匝,20匝只要用1層,厚度為0.226mm.

使用順序繞法,繞組排列如下:

繞組總厚度=0.6+0.402+0.402+0.226+0.456=2.836mm < 磁芯窗口寬度

=(E-D)/2=(15.4-8.9)/2=3.25mm.

11.估算損耗及溫升:

(1).各繞組之線長:

依照平均匝長=2舌寬+2疊厚+4窗寬,得:

Np1 = 2*(8.9+3.6)+4*(0.6+0.201)=28.204mm

Np2 = 2*(8.9+3.6)+4*(0.6+0.201*2+0.15)=29.608mm

Nb = 2*(8.9+3.6)+4*(0.6+0.201*2+0.15*2+0.113)=30.66mm

Ns = 2*(8.9+3.6)+4*(0.6+0.201*2+0.15*4+0.113+0.228)= 31.572mm 即

Np 線長L Np =30*28.204+24*29.608= 1556.712 mm= 155.6712 cm

Nb 線長L Nb =20*30.66= 613.2mm=61.32cm

Ns 線長L Ns =5* 31.572=157.86mm=15.786cm

查線阻表可知: 0.402mm WIRE R DC =0.00259Ω/cm @100℃

0.456mm WIRE R DC =0.00198Ω/cm @100℃

0.226mm WIRE R DC =0.01001Ω/cm @100℃

R @100℃=1.4* R @20℃

(2).初級,次級各電流值:

求次級各電流值,已知Io=2A.

次級平均峰值電流:A D Io Is pa 636.345

.012max 1=-=-= 次級直流有效電流:A s I D Is pa rms 69.2636.3*)45.01(*max)1(22=-=-= 次級交流有效電流:A I s I Is rms ac 79.1269.2o 2222=-=-=

求初級各電流值:

因為Np*Ip=Ns*Is

初級平均峰值電流:A n Is Ip pa

pa 279.013

636.3=== 初級直流有效電流:A Ip D Ip pa rm s 125.045.0*279.0max*=== 初級交流有效電流:A p I D Ip pa ac 186.0279.0*45.0*max 2===

(3).求各繞組交,直流電阻:

初級:Rp

DC =(L

Np

*R

DC

)/2=(155.6712*0.00259)/2=0.2015Ω

Rp

ac =1.6* Rp

DC

=0.321Ω

次級:Rs

DC =(L

Ns

*R

DC

)/2=(15.786*0.00198)/2=0.0156Ω

Rs

ac =1.6* Rs

DC

=0.0249Ω

偏置:Rb

DC

=61.32*0.01001=0.6138Ω(4).計算各繞組交直流銅損耗:

初級直流損耗:Pp

DC =I2rms* Rp

DC

=0.125*0.2015=0.02518W