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本篇文章将介绍如何使用AP进行反激式开关电源变压器的设计。希望与大家一起学习进步!也欢迎读者朋友关注、收藏、分享和点赞,感谢支持!
设计电源的基本参数
在设计反激式开关电源时,其中最重要的部分就是高频变压器的设计。这篇文章主要介绍如何使用AP法绕制一个高频变压器。
假设我们设计的开关电源应用在蓄电池上,参数指标如下:
(1) 输入直流电压:48V(42V~56V)
(2) 开关频率:
(3) 设定最大占空比:
(4) 效率:80%
(5) 输出直流电压:DC 24V/0.5A DC12V/1A DC5V/0.5A DC60V/1A
(6) 输出电压误差:DC24V/5% DC12V/5% DC5V/3% DC60V/5%
(7) 输出功率:90W
(8) 工作环境温度:0℃~80℃
根据上面的设计指标,计算出每周期开关管工作最大的时间:
根据单节蓄电池的特性可知,12V电池单体,在放电时,最低电压阈值为10.5V;充电时,最高电压阈值为14V。则系统输出电压最小值为42V。输出电压最大值为56V。
高频变压器设计
在开关电源的所有器件中,高频变压器承担着能量的传输和隔离的功能。变压器结构设计是否合适会直接影响到开关电源的效率,电磁干扰,电源整机的可靠性等问题。设计一个出色的变压器需要具有漏感小,直流损耗小,交流损耗小,匝间分布电容和耦合电容小等性能,因此在设计变压器的时候,某些具体参数要折中考虑。
高频变压器所用的磁芯一般是高磁导率、高电阻率的软磁材料。在匝数一定时,高磁导率的磁芯可以在通过较小励磁电流的时候,具备承受较高电压的能力,在传输功率一定的条件下,可以有效的减小磁芯的体积。高电阻率的磁芯则涡流损耗小,能够有效减小铁耗。常在开关电源设计中使用的软磁材料基本上采用的都是EE或者EI磁芯,外形分别如下图所示。磁芯型号选择为EE型。
前在确定磁芯尺寸的时候有两种主流的计算方法:第一种称为面积乘积法,即AP法。计算出绕线窗口有效面积与磁芯的有效截面积的乘积,再根据值来查表。第二种称为几何参数法,即KG法。计算出所需磁芯的几何参数后再查表,选择合适的磁芯材料。(1)设定变压器磁通量变压器在工作时会有温升,在设计的过程中取饱和磁芯密度Bs=0.39T,为了防止磁芯出现饱和需要留有一定的裕量,这里在设计的时候取磁通BT=0.35T (2)变压器视在功率
(3)计算AP值
经计算AP=0.0352cm4,查阅磁芯手册,选择EE-13型磁芯,其AP=0.0570。考虑到其他的因素,选择EE-13型磁芯是可以满足设计的。此时磁芯的有效截面积Ae=17.10mm2。
(4)初级绕组的峰值电流
计算可得峰值电流为3.95A
(5)计算初级绕组电流的有效值
(6)初级绕组的电感量
计算可得电感量为 55uH。
(7)一次侧绕组匝数
计算可得一次侧绕组匝数为51匝。
(8)3.3V输出次级匝数
同理可以计算出5V,12V分别为:12匝,29匝。辅助绕组电压取16V,计算可得匝数为38匝。
(9)一次侧绕组径选择
反激变压器绕组导线电流密度5A/mm2~7A/mm2,在该设计中取电流密度为6A,则根据
则线径的直径为:
(10)3.3V次级绕组的线径选择
同理可以计算可得5.5V,12V绕组的线径分别为:0.325mm,0.46mm。辅助绕组导线选择同3.3V绕组一样的导线即可。
(11)磁芯的气隙大小:
计算可得气隙大小为1.013mm。
变压器绕制
在绕制变压器的时候工程上大多采用三明治绕法,具体操作为:先在1脚和2脚上绕初级绕组的一半即7圈,再在5、6脚上绕辅助绕组VCC,绕16圈,再在7、8脚上绕次级绕组10圈,在9、10脚上绕次级绕组6圈。在11/12脚上绕次级绕组12圈。最后在2脚和3脚上绕初级绕组的另一半8圈,并将2脚上的线连接起来。变压器同名端的绕制,是根据骨架引脚进线端进和绕制方向来确定。三明治绕线的方法能够减小变压器的漏感,而变压器的漏感对减小功率开关管的电压应力,吸收电路的功率具有非常大的影响。因此,采取三明治绕线的方法在一定程度上可以间接提高电源的效率。按照上述的方法,绕制的变压器如下。
上面的图片是一块AC输入的反激式开关电源,输入90~220AC,输出DC12V,图中的高频变压器是笔者按照AP法从零开始设计,根据计算的结果,使用三明制法进行手工绕制,经测试,单板上电后能正常工作。
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