分享 一种小功率开关电源变压器设计和制作

电源变压器在最近几年的发展和应用中，逐渐呈现出了专业性的特点，小功率的开关电源变压器设计和制作也更加符合民用要求。在今天的方案分享中，我们将会为大家分享一种小功率的电源变压器设计和制作过程，方便工程师们进行参考借鉴。

在今天的开关电源变压器方案分享中，我们将会通过一个企业民用的输入85~265V、输出5V，2A，开关频率是100kHz的小功率开关电源为例加以说明。这种电源变压器的系统电路图如下图所示。

小功率开关电源变压器系统电路图

在了解了这种小功率的开关电源变压器系统电路设置后，首先要做的就是选定原边感应电压VOR，原边感应电压值直接决定了电源的占空比。当变压器的开关管开通的时候，有公式I=Vs*Ton/L，其中参数Vs为原边输入电压，参数ton为开关开通时间，L为原边电感量。而在开关管关断的时候，有公式I=VOR*Toff/L，其中参数VOR为原边感应电压，即放电电压，Toff为开关管关断时间，L为电感量。经过一个周期后，原边电感电流的值会回到原来的数值，因此该公式变为：VS*TON/L=VOR×TOFF/L，D来代替TON，用1-D来代替Toff，移项可得D=VOR/（VOR+VS），此即是最大占空比了。则在该系统电路的实例中，该公式为D=80/（*80+90）=0.47。

接下来的工作，是确定这种开关电源变压器的原边电流波形的参数。原边电流波形的计算也同样是需要利用公式完成的，此时代入公式，即峰值电流*KRP*D+峰值电流*（1-KRP）×D，所以有电流平均值等于上式，解出来峰值电流=电流平均值/（1-0.5KRP）×D。比如说我这个输出是10W，设定效率是0.8，则输入的平均电流就是10/0.8×90=0.138A，设定KRP的值是0.6，而最大值=0.138/（1-0.5KRP）D=0.138/（1-0.5×0.6）×0.47=0.419A。在完成了原边电流波形的计算之后，接下来就是设计变压器准备工作。已知了开关频率是100kHz，则开关周期就是10us，占空比是0.47，那么TON就是4.7us。选定变压器磁芯，这个可以根据相应的公式查表计算，此处简略。

在完成了开关电源变压器的原边感应电压和电流波形计算后，我们就要进入整个设计最关键的一步，也就是计算变压器的原边匝数。原边使用的经径是可以利用公式计算出来的，该公式为NP=VS*TON/SJ*B，这几个参数分别是原边匝数、最小输入电压、导通时间、磁芯的横节面积和磁芯振幅一般取B的值是0.1~0.2之间，取得越小变压器的铁损就越小，但相应变压器的体积会大些，NP=90×4.7us/32mm2×0.15，得到88匝0.15是选取的值，在计算出匝数之后再确定线径，一般来说电流越大，线越热。需要的线径由有效值来确定，而不是平均值。已经算得了有效值，所以接下来要做的是选线，选用0.25的线就可以了，用0.25的线，其面积是0.049mm²，电流是0.2A，所以其电流密度是4.08，一般选定电流密度是4~10A/mm²。

在确定了小功率的开关电源变压器绕组匝数之后，接下来就需要依次来确定电压变压器的次级绕组参数、圈数和线径。通常情况下，原边感应电压就是一个放电电压，原边就是以这个电压放电给副边的，如上图所示，因为副边输出电太为5V，加上肖特基管的压降，就有5.6V，原边以80V的电压放电，副边以5.6V的电压放电，遵守变压器匝数和电压成正比的规律，所以副边电压的计算公式为NS×（UO+UF）/VOR，其中，参数UF为肖特基管压降，副边匝数等于88×5.6/80，为6.16，整取6匝，再算副边的线径。接下来的工作就是确定反馈绕组的参数，反馈是反激的电压，其电压是取自输出级的，所以反馈电压是稳定的，TOP的电源电压是5.7~9V，绕上7匝，那么其电压大概是6V。最后一步是确定电压变压器的电感量，根据计算公式I=VS*TON/L，I为峰值电流*KRP，所以L=VS*TON/峰值电流*KRP。

这种小功率电源变压器设计和制作的最后一步，就是对已经制作完成的变压器成品进行验证，也就是验证一下最大磁感应强度是不是超过了磁芯的允许值，这里有公式BMAX=L*IP/SJ*NP。在该公式中，这个五个参数分别表示磁通最大值、原边电感值、峰值电流、原边匝数，这个公式是从电感量L的概念公式推过来的，因为L=磁链/流过电感线圈的电流，磁链等于磁通乘以其匝数，而磁通就是磁感应强度乘以其截面积，分别代入到上式，即当原边线圈流过峰值电流时，此时磁芯达到最大磁感应强度。这个磁感应强度就用以上公式计算BMAX的值一般一要超过0.3T，若是好的磁芯，可以大一些，若是超过了这个值，就可以增加原边匝数，或是换大的磁芯来调。