反激变压器设计实例

2024年2月4日发(作者：)

AC-DC 5W磁参数计算

05/110SO5

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第一部分 变压器的设计

一、变压器设计步骤：

由于XRA05/110S05是采用反激的电路拓扑结构，故变压器按反激变压器进行设计。具体步骤如下：

1、决定电源参数。

2、计算电路参数。

3、选择磁芯材料。

4、选择磁芯的形状和尺寸。

5、计算变压器匝数、有效气隙电感系数及气隙长度。

6、选择绕组线圈线径。

7、计算变压器损耗和温升。

下面就按上述步骤进行变压器的设计。

二、设计过程：

1、电源参数：（有些参数为指标给定，有些参数从资料查得）

最小交流输入电压值:最大交流输入电压值:电网频率:变压器工作频率:输出电压:输出电流:输出功率:电源整机效率:损耗分配因数:自供电电压:整流桥的导通时间:输入电容容量:最大占空比:电流比例因数:初、次级之间耐压:

2、计算电路参数：

最低直流输入电压：Vdcmin=(2V2acmin−(Vacmin=85

Vacmax=265

FL=50～440

Fs=Vo=Io=Po=η≥Z=VB=60000

5.1

1．0

5.1

0.75

0.5

10

V

V

Hz

Hz

V

A

W

V

S

uF

Vac

tC=0.0032

CIN=10

DNAX=0.47

KRP=0.65

≥2500

2PO(1/2fL−tC))=72(V)

ηCIN2

将相关参数代入上式：Vdcmin=72(v)

最高直流输入电压：Vdcmax=Vacmax×2=375(V)

计算低端输入时：

原边平均输入直流电流值：IAVG=PO=0.094(A)

ηVdcmin原边峰值电流：IP=IAVG=0.3(A)

[1−(KRP/2)]DMAX原边脉动电流：IR=IPKRP=0.19(A)

原边有效值电流：IRMS=DMAX(IP变压器原边电感量：LP=2I−IPIR+R)=0.14(A)

3×Z(1−η)+η=2.5(mH)

2PO×106IPKRP(1−KRP/2)fS2η

Z为损耗分配因数，如果Z=1.0表示所有损耗都在副边，如果Z=0表示所有的损耗都在原边，在这里取Z=0.5表示原副边都存在损耗。

3、选择磁芯材料：

铁氧体材料具有电阻率高，高频损耗小的特点，且有多种材料和磁芯规格满足各要求，加之价格较其它材料低廉，是目前在开关电源中应用最为广泛的材料。同时也有饱和磁感应比较低，材质脆，不耐冲击，温度性能差的缺点。

在此次设计中，采用的是用于开关电源变压器及传输高功率器件的MnZn功率铁氧体材料PC40,其初始磁导率为2300±25％，饱和磁通密度为510mT（25℃时）/390mT（100℃时）,居里温度为215℃。

选择磁芯材料为铁氧体，PC40。

4、选择磁芯的形状和尺寸：

在这里用面积乘积公式粗选变压器的磁芯形状和尺寸。具体公式如下：

反激变压器工作在第一象限，最高磁密应留有余度，故选取BMAX=0.3T，反激变压器的系数） K1=0.0085（K1是反激变压器在自然冷却的情况下，电流密度取420A/cm时的经验值。2⎡LI×1.2IRMS⎤•AP=AWAC=⎢Po⎥BK1⎦MAX⎣

4/3=0.09cm4

3

磁芯型号：查EPC磁芯系列—EPC19，磁芯参数为：

磁芯有效截面积:磁芯窗口面积:磁路长度:无气隙电感系数:磁芯体积:骨架绕线宽度:Ae=Aw=Le=Al=Ve=Bw=22.7mm2

50mm2

0.461mm

940nH/T2

0.9cm3

11.9mm

EPC磁芯主要为平面变压器设计的，具有中柱长，漏感小的特点。EPC19磁芯的AP值约为0.11cm，稍大于计算所需的AP=0.09 cm。若再选用小一号的磁芯EFD15,其AP值约为0.047 cm，小于计算所需的AP=0.09 cm，不符合要求，故选用EPC19磁芯。

5、计算变压器各绕组匝数、有效气隙电感系数及气隙长度：

原边绕组匝数：NP=IPLP=108(T)

AeBMVO+VD1−DMAX×=10(T)

Vdcmin−VDSDMAX4444副边绕组匝数：NS=NP×上式中：VD为输出整流管正向压降，由于选用肖特基二极管，故其正向压降为0.4V，

VDS是VIPer导通期间漏极-源极的平均电压值，主要与原边电流大小、导通时的漏源间电阻RDS(ON)、工作温度有关，在这里设为5V。

自供电匝数NB：采用简单的半波整流电路，可依副边匝数的思路进行计算:

NB=VB+VBD×NS=19(T)

VO+VDVBD为自供电整流管正向压降，由于选用了普通硅二极管，故其正向压降为0.7V。

有效气隙电感系数：ALG=1000×LP2=218.57(nH/T)

2NP无气隙时的相对磁导率:

µr=AELE=1520

0.4×π×AE×10⎡0.4×π×NP2×AELE⎤气隙长度：Lg=⎢−⎥×10=0.1(mm)

×100Lµr⎦P⎣

6、选择绕组导线线径：

变压器有效的骨架宽度：BWE=LX×[BW−(2×M)]=31.6(mm)

LX为原边绕组层数，在这里采用4层。

4

M为线圈每端需要的爬电距离，在这里取2mm。

计算原边绕组导线允许的最大直径（漆包线）：OD=BWE=0.29(mm)

NP根据上述计算数据可采用裸线径DIA=0.23mm的漆包线绕置，其带漆皮外径为0.27mm，刚好4层可以绕下。

根据所选线径计算原边绕组的电流密度：J=4×IRMS=3.44(A)

2π×DIABWE−2×M=0.79(mm)

NS计算副边绕组导线允许的最大直径（漆包线）：ODS= 根据上述计算数据可采用裸线径DIASS=0.72mm的漆包线绕置，但由于在温度100℃、工作频率为60KHz时铜线的集肤深度：∆=7.6=0.31(mm)，而0.72mm大于了2倍的集肤深60000度，使铜线的利用率降低，故采用两根0.35mm的漆包线并绕。

副边峰值电流：ISP=IP×NP=3.22(A)

NS2副边有效值电流：ISRMSK=ISP×(1−DMAX)(RP−KRP+1)=1.64(A)

34×ISRMS=8.53(A)

2π×DIASS根据所选线径计算副边电流容量：J=自供电绕组线径：由于自供电绕组的电流非常小只有5mA，因此对线径要求并不是很严格，在这里主要考虑为便于与次级更好的耦合及机械强度，因此也采用裸线径为0.35mm的漆包线进行绕置，使其刚好一层绕下，减小与次级之间的漏感，保证短路时使自供电电压降低。

7、计算变压器损耗和温升

变压器的损耗主要由线圈损耗及磁芯损耗两部分组成，下面分别计算：

1）线圈损耗：

原边直流电阻：Rdc1=ρ*l=1.993(Ω)

Aρ为100℃铜的电阻率为2.3×10-6（Ω·cm ）；

l为原边绕组的线圈长度，实测为360cm；A为原边0.23mm漆包线的截面积。

原边直流损耗：Pdc1=IAVG*Rdc1=0.0177(W)

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原边导线厚度与集肤深度的比值：Q=0.83dd/s=0.5678

∆ d为原边漆包线直径0.23mm，s为导线中心距0.27mm，∆为集肤深度0.31mm。

原边交流电阻与直流电阻比：由于原边采用包绕法，故原边绕组层数可按两层考虑，根据上式所求的Q值，查得Fr=Rac1/Rdc1≈1。

原边交流电阻：Rac1=Rdc1×Fr=1.993(Ω)

原边交流电流分量有效值：Iac1=IRMS−IAVG=0.107(A)

原边交流电损耗：Pac1=Iac1*Rac1=0.0229(W)

原边绕组线圈总损耗：P1=Pdc1+Pac1=0.04(W)

副边直流电阻：Rdc2=ρ*l=0.04(Ω)

A222ρ为100℃铜的电阻率为2.3×10-6（Ω·cm ）；

l为副边绕组的线圈长度，实测为80cm；A为副边两根0.38mm漆包线的截面积。

副边直流损耗：Pdc2=Io2*Rdc2=0.039(W)

副边导线厚度与集肤深度的比值：Q=0.83dd/s=0.865

∆ d为副边漆包线直径0.35mm，s为导线中心距0.41mm，∆为集肤深度0.31mm。

副边交流电阻与直流电阻比：副边绕组层数为一层，根据上式所求的Q值，查得Fr=Rac1/Rdc1≈1.1。

副边交流电阻：Rac2=Rdc2×Fr=0.0434(Ω)

副边交流电流分量有效值：Iac2=ISRMS−IO=1.3(A)

副边交流电损耗：Pac2=Iac2*Rac2=0.073(W)

副边绕组线圈总损耗：P2=Pdc2+Pac2=0.113(W)

总的线圈损耗：Pw=P1+P2=0.153(W)

2）磁芯损耗：

峰值磁通密度摆幅：∆B=BMAXKRP=0.1(T)

2222磁芯损耗：Pc=Pcv×Ve=0.003(W)

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Pcv为磁芯功率损耗，由峰值磁通密度摆幅、工作频率60KHz及工作温度100℃可在厂家手册上查出其损耗约为30

mw/cm。

Ve为EPC19的体积0.105

cm3。

变压器总的损耗：P=Pw+Pc=0.156(W)

变压器热阻：Rth=336=72(°C/W)

Aw 变压器最大温升：∆T=Rth×P=11.27(°C/W)

总结：通过上述计算可知，当环境温度为85℃时，变压器最高温度在96℃左右，符合磁芯的最佳工作温度。同时采用包绕法使得漏感仅为70uH(1KHz时)/15uH(100KHz时)，小于3%，效果较理想。

《参考文献》

1、《现代高频开关电源实用技术》 刘胜利 编著 电子工业出版社 2001年

2、《开关电源中磁性元器件》 赵修科 主编 南京航空航天大学自动化学院 2004年

3、《TDK磁材手册》 日本TDK公司 2005年

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