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【原创】超mini Ipad 5V/2.1A充电器之三——变压器的设计过程

http://bbs.dianyuan.com/topic/731552

http://bbs.dianyuan.com/topic/732304

通过以上2帖,还怀疑EE16做不到10W的朋友就OUT了哦。。。。

下面分享下EE16设计5V/2.1A iPad充电器的过程。

。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

条件:

输入电压 VinAC90-264V,50/60Hz

输出电压 Vout5V 4.75~5.25V

输出电流 Iout2.1A

开关频率 Fsw65K

最大占空比 Dmax0.40

。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

因空间较小,

要降低产品温升,必须提高效率,目标设计效率η83%(此效率目标定义有部分原因受此帖影响http://bbs.dianyuan.com/topic/681174)。

设定电源满载工作在CCM模式,零界电流为输出电流的比值E85%

下面进入计算过程:

1. 计算临界模式时次级峰值电流:

 

2. 计算临界模式时次级电感量:

取输出整流二极管正向导通压降VF=0.7V,则:

 

 

3. 计算初次级匝比:

 

 

4. 计算临界模式时初级电感量:

 

 

5. 计算CCM模式时次级峰值电流:

 

 

 

6. 计算CCM模式时初级峰值电流:

 

 

7. 确定磁芯的△B

采用JFE EE16 MB1H磁芯,其Ae=19.2mm²

MB1H磁芯材质特性如下:

 

 

由表中可得:

100℃时,饱和磁通密度Bs=460mT,剩余磁通密度Br=80mT

为了防止磁芯出现瞬态饱和效应,一般会预留部分余量,所以磁通密度取85%,则:

B=0.85*460-80=323mT=0.323T

 

8. 计算初级线圈匝数:

 

9. 计算次级线圈匝数:

 

次级匝数为9.2Ts,可取9Ts10Ts

 

10. 计算次级线圈直径:

考虑到次级线圈匝数较少,电流密度Js可稍取大些,一般取4~6A/mm2,这里取j=6A/mm2,则:

 

取标准规格线径0.65mm

 

11. 确认BOBBIN绕组结构和次级匝数:

次级0.65mm的三重绝缘线实际外径为0.85mm

 

从图中可以看出,EE1614BOBBIN幅宽为8.7mm,考虑到进出线需弯折和增加铁氟龙套管,需预留约1Ts绕线空间则可绕线匝数为:

 

即可绕线匝数为9Ts,取次级匝数Ns=9Ts

 

12. 代算初级线圈匝数:

在线圈匝数取整的同时,需使初次级具有相同的安匝数。

根据次级调整后的初级匝数为:

 

 

13. 计算反馈线圈匝数:

PWM IC 供电电压定义15V,反馈整流二极管采用普通硅整流二极管,取其正向导通压降VD=1.1V,则:

 

 

14. 计算初级线圈输入有效值电流:

 

 

15. 计算初级线圈直径:

考虑到初级线圈匝数较多,且线包内部散热不佳,取电流密度Jp=4A/mm2,则:

 

 

16. 确认BOBBIN绕线空间:

Vcc电流较小,NV线径取0.1mm,屏蔽绕组线径同样取0.1mm0.1mm的漆包线外径为0.12mm

绝缘Tape采用0.025mm后的麦拉胶带,每组线圈绕外加一层Tape,最外层加强绝缘采用2Tape;

则绕线结构如下图:

 

绕线占用BOBBIN最小深度为:

0.20+0.20+0.025+0.12+0.025+0.85+0.025+0.12+0.025+0.20+0.20+0.025+0.12+0.025+0.025=2.185mm

EE1614 BOBBIN侧视图如下:

 

 

可以看出其可容纳绕线深度为:

 

2.185mm < 3.075mm,即绕线结构OK

到此,此变压器设计算是完成。

其中,有2点需要注意:

1. 以上计算出来的电感量为零界模式时电感量,若需要工作在DCM模式,则适当减小此电感量;若需要电路工作在CCM模式,可稍增大此电感量;但需要考虑到磁芯饱和问题。

2. 对于B取值,有条件的情况下建议取磁通密度的60%~75%

完。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

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2011-11-18 16:50
沙发咯!坐下听课!
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2011-11-18 16:50
必须顶
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2011-11-18 16:51
@电源网-网儿
沙发咯!坐下听课![图片]
地板!听课 喽!
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xxcdyjy
LV.3
5
2011-11-18 16:55
学习中!
0
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bobery
LV.7
6
2011-11-18 16:55
@电源网-源源
必须顶

必须顶

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26308497
LV.7
7
2011-11-18 16:59
@xxcdyjy
学习中!

好贴啊,大家多多学习

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2011-11-18 17:06
下水道听课
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zvszcs
LV.12
9
2011-11-18 17:46
@漂泊的人
[图片]下水道听课

我顶,必须的,N年前就做到这个功率了啊,呵呵

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2011-11-18 17:50
@zvszcs
我顶,必须的,N年前就做到这个功率了啊,呵呵

上次还有个用EE13做12W的呢。。。。。

不过安规和要过安规不是一个级别的呀。。。。

 

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zvszcs
LV.12
11
2011-11-18 17:51
@javike
上次还有个用EE13做12W的呢。。。。。不过安规和要过安规不是一个级别的呀。。。。 
过了安规,哈哈,我们的没做,但是上海一家做了很多认证,我们LB不舍得银子
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zvszcs
LV.12
12
2011-11-18 18:00
@zvszcs
过了安规,哈哈,我们的没做,但是上海一家做了很多认证[图片],我们LB不舍得银子

不过要是能在封闭的环境下做,还是有难度的,我的是敞开式的

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2011-11-18 18:04
@zvszcs
不过要是能在封闭的环境下做,还是有难度的,我的是敞开式的[图片]

敞开式??OPEN 版??你该不会还加了风扇吧。。。。

22.5*30.5mm的板把元件摆一下就知道难度了,还要密闭。。。

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amonson
LV.8
14
2011-11-18 18:44

假设的东西要回去验证啊,比如你那个Dmax=0.4,Dmax=Lp*Ipp*f/Vmin=1.96mH*0.435A*65KHz/(90*1.414)=0.435,大于设定值将近10%了,有些参数需要修正。如果输入电容用的小,电容电压只能到100V的话,Dmax就到0.5了。还有那个85%的电流比,你后面又说算出来的是零界模式,前后矛盾啊。。。要是一个完全的新人小白用你这个贴的算法,输出改成9V/1A他就玩不转了。。。

还是上次那个贴写的更好一些,先考虑骨架绕平,耦合条件好,然后一点点的磨气隙,这种小功率变压器铁损很小,所以只要不饱和就可以了,磁摆幅可以尽量大。

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2011-11-18 19:39
@amonson
假设的东西要回去验证啊,比如你那个Dmax=0.4,Dmax=Lp*Ipp*f/Vmin=1.96mH*0.435A*65KHz/(90*1.414)=0.435,大于设定值将近10%了,有些参数需要修正。如果输入电容用的小,电容电压只能到100V的话,Dmax就到0.5了。还有那个85%的电流比,你后面又说算出来的是零界模式,前后矛盾啊。。。要是一个完全的新人小白用你这个贴的算法,输出改成9V/1A他就玩不转了。。。还是上次那个贴写的更好一些,先考虑骨架绕平,耦合条件好,然后一点点的磨气隙,这种小功率变压器铁损很小,所以只要不饱和就可以了,磁摆幅可以尽量大。

感谢提醒!占空比回去验证是对的,但对于定义0.4的占空比相对来说已经留够余量了,上一帖有实测的占空比波形,约0.41,如果是设置在0.45以上为了防止MOS的VDS过高就必须要验证下了;电容用小了所影响的就不完全是占空比了,任何AC电源输入电解电容(无电解除外)用小了占空比都会增加,一个好的电源不是变压器做好了就好了的,把效率加入输入电流的计算中就是考虑到输入的峰值电流影响,电容用小了峰值电流也会增加的。 85%的电流比是临界模式的电流,所有计算出来的感量也是临界模式的,并没有矛盾呀。如果能把帖子理解了,转成9V/1A应该不是问题,就怕不理解,生搬硬套。。。

如果是单纯的DCM模式电源,一点一点磨气息是个不错的方式,但如果是CCM模式就没那么好掌控了。。。。

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amonson
LV.8
16
2011-11-18 19:48
@javike
感谢提醒!占空比回去验证是对的,但对于定义0.4的占空比相对来说已经留够余量了,上一帖有实测的占空比波形,约0.41,如果是设置在0.45以上为了防止MOS的VDS过高就必须要验证下了;电容用小了所影响的就不完全是占空比了,任何AC电源输入电解电容(无电解除外)用小了占空比都会增加,一个好的电源不是变压器做好了就好了的,把效率加入输入电流的计算中就是考虑到输入的峰值电流影响,电容用小了峰值电流也会增加的。85%的电流比是临界模式的电流,所有计算出来的感量也是临界模式的,并没有矛盾呀。如果能把帖子理解了,转成9V/1A应该不是问题,就怕不理解,生搬硬套。。。如果是单纯的DCM模式电源,一点一点磨气息是个不错的方式,但如果是CCM模式就没那么好掌控了。。。。
其他的我都能理解,那个85%是怎么来的啊?如果是零界模式就没有那个85%啊,求解释,谢谢啊有些新人就爱直接套用。。。算了,这种人也需要上一些当来积累经验,应用工程师也不是照芯片资料或者拿个板过来一抄就可以的。技术的细节都是需要仔细推敲的
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2011-11-18 20:03
@amonson
其他的我都能理解,那个85%是怎么来的啊?如果是零界模式就没有那个85%啊,求解释,谢谢啊[图片]有些新人就爱直接套用。。。算了,这种人也需要上一些当来积累经验,应用工程师也不是照芯片资料或者拿个板过来一抄就可以的。技术的细节都是需要仔细推敲的[图片]
85%是CCM和DCM零界时的负载电流和最大输出电流的比值,为了减小DV/DT和DI/DT对EMC的影响,所有设置满载工作在CCM模式的。上面的峰值电流在计算中就加入了85%临界电流比例,所以由此计算出来的电感量也是在临界模式时的电感量。
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amonson
LV.8
18
2011-11-18 21:43
@javike
85%是CCM和DCM零界时的负载电流和最大输出电流的比值,为了减小DV/DT和DI/DT对EMC的影响,所有设置满载工作在CCM模式的。上面的峰值电流在计算中就加入了85%临界电流比例,所以由此计算出来的电感量也是在临界模式时的电感量。
明白了,也就是说取2.1A*85%=1.785A时工作在临界模式,此时占空比为0.4。谢谢了
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mark jia
LV.8
19
2011-11-19 07:53
@amonson
明白了,也就是说取2.1A*85%=1.785A时工作在临界模式,此时占空比为0.4。谢谢了[图片]

我靠牛人呀

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孤鸿影
LV.6
20
2011-11-19 22:37

又开讲啦,赶紧搬条凳子坐着,慢慢听。呵呵。

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2011-11-21 11:18

认真听课·· 我很看好你拿示波器的偶

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2011-11-23 12:46
@yanruitao@gmail.com
认真听课··我很看好你拿示波器的偶

多谢多谢!

力争!

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zq2007
LV.11
23
2011-11-26 15:29
楼主,零界电流为输出电流的比值E85%是什么意思?零界电流应该是临界电流,一般是取60%,为什么楼主取85%呢?
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2011-11-26 18:03
@zq2007
楼主,零界电流为输出电流的比值E为85%是什么意思?零界电流应该是临界电流,一般是取60%,为什么楼主取85%呢?

嗯,应该是叫临界电流。

这个没有限制一定要取多少,取得较低峰值电流就较小,就需要更大的感量和更多的匝数,匝数多了就得考虑绕不绕得下了。。。。

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lz0820
LV.4
25
2011-11-29 11:45
@javike
嗯,应该是叫临界电流。这个没有限制一定要取多少,取得较低峰值电流就较小,就需要更大的感量和更多的匝数,匝数多了就得考虑绕不绕得下了。。。。

这个算法好像有局限性,算次级感量的式子存在这样的问题,如果输出电压大 而输出电流小的话就会算的感量很大,同时对应的初级感量也会很大啊,如何解决,例如算一个 40V  350MA的输出功率,能否指点一下,感量和匝数为多少啊?用EE19的磁芯

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2011-11-29 18:16
@lz0820
这个算法好像有局限性,算次级感量的式子存在这样的问题,如果输出电压大而输出电流小的话就会算的感量很大,同时对应的初级感量也会很大啊,如何解决,例如算一个40V 350MA的输出功率,能否指点一下,感量和匝数为多少啊?用EE19的磁芯
按上面的条件输出电压和电流改变,其他都不变,算出来感量为1.647mH,40V*0.35=14W,感量稍低点,因为功率加大了点,是正常的,偏差不大吧。
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qi8903
LV.6
27
2011-11-29 18:52
@javike
按上面的条件输出电压和电流改变,其他都不变,算出来感量为1.647mH,40V*0.35=14W,感量稍低点,因为功率加大了点,是正常的,偏差不大吧。
司令真是牛X,得好好拜读司令大哥的帖子了,跟我做的产品差不多,我感觉跟司令大哥相比我还得有很多路要走。
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zq2007
LV.11
28
2011-11-29 19:31
版主,你用的磁芯是日系MB1H的,对应我们国内磁芯的标号是PC44还是PC47呢?
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zq2007
LV.11
29
2011-11-29 20:29
@zq2007
版主,你用的磁芯是日系MB1H的,对应我们国内磁芯的标号是PC44还是PC47呢?
设计一款开关电源,如何根据功率确定选用多大的变压器和磁芯,与哪些参数有关,请楼主详解。
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2011-11-29 20:54
@zq2007
版主,你用的磁芯是日系MB1H的,对应我们国内磁芯的标号是PC44还是PC47呢?

PC44和PC47是日本TDK的材质编码,不是国内的哦。

MB1H同等材算是PC47,但实际比PC47还高

 

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2011-11-29 20:56
@zq2007
设计一款开关电源,如何根据功率确定选用多大的变压器和磁芯,与哪些参数有关,请楼主详解。

http://bbs.dianyuan.com/topic/746755

关于反激磁芯大小的选择可以参考此帖中的第6步的公式,如果是PWM IC就把频率代换进去算AP值

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