5V2A高频变压器设计及参数

2024年2月4日发(作者：)

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

VinDCmin

VinDCmax

= 85*

2-30(直流紋波電壓)= 90V

= 265*

2=375V

2.匝數比計算 , 設最大占空比Dmax = 0.45 :

VinDCmin*Dmax90*0.45n12.91813

(VoutVdVL)*(1Dmax)(50.50.2)*(10.45)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:

2Pout2*10Ip0.494A

VinDCmin*Dmax90*0.45

4.初級電感量計算:

D*V0.45*906LpmaxinDCmin621*10H621uH

3fs*Ip132*10*0.494

5.變壓器磁芯選擇EFD20, 參數如下:

Ae = 28.5mm2 AL = 1200+30%-20%nH/N2 Le = 45.49mm Cl =

1.59mm-1 Aw = 50.05mm2 Ap = 1426.425mm4

6.初級繞組,次級繞組及偏置繞組匝數計算:

Ip*Lp*1040.494*621*106*104Np53.8254(匝)

Bw*Ae0.2*0.285Np544.155(匝)

n13(VVbd)*Ns(220.7)*5Nbb19.9120匝

VoutVdVL50.50.2Ns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cm2;

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:

0.4Np2*Ae*1080.4*3.14*542*0.285*108Lg0.0168cm0.168mm6Lp621*10 式中:

Lg 單位為cm;

Lp 單位為H;

Ae 單位為cm2.

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:VinDCmin=90V

Dmax(Vout(VoutVdVL)*n(50.50.2)*130.4515

VdVL)*nVinDCmin(50.50.2)*1390(2).當輸入電壓為最高時:VinDCmax=375V

Dmin(Vout(VoutVdVL)*n(50.50.2)*130.1649

VdVL)*nVinDCmax(50.50.2)*13375(3).Bmax

Lp*Ip621*0.494Bmax*100*1001993Guass3000Guass

Np*Ae54*0.285式中:

Lp 單位為uH; Ip 單位為A; Np 單位為N(匝); Ae 單位為cm2.

9.繞組線徑計算及窗口占有率:

66.166.10.182mm, 2d = 0.364mm 肌膚深度:d3fs132*10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/mm2

(1).初級繞組線徑計算:

Ip=0.494A,

IRMS=Ip*Dmax=0.494*0.45=0.331A ,Aw0.331A0.0827mm2,查表采用24A/mmAw = 0.0962mm2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=8.7266mm2.

(2).次級繞組線徑計算:

Io=2A, IRMS=Io=2A,Aw=2A/4=0.5mm2,多股并繞采用Aw=0.1257mm2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=4.1587mm2.

(3).偏置繞組線徑計算:

Io=0.1A, IRMS=Io=0.1A,Aw=0.1A/4=0.025mm2,采用Aw=0.0254mm2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LNp=30*28.204+24*29.608= 1556.712 mm= 155.6712 cm

Nb線長LNb=20*30.66= 613.2mm=61.32cm

Ns線長LNs=5* 31.572=157.86mm=15.786cm

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

0.456mm WIRE RDC=0.00198Ω/cm @100℃

0.226mm WIRE RDC=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:IspaIo23.636A

1Dmax10.45次級直流有效電流:Isrms(1Dmax)*I2spa(10.45)*3.63622.69A

次級交流有效電流:IsacI2srmsIo22.692221.79A

求初級各電流值:

因為Np*Ip=Ns*Is

初級平均峰值電流:IppaIspan3.6360.279A

13初級直流有效電流:IprmsDmax*Ippa0.279*0.450.125A

初級交流有效電流:IpacDmax*I2ppa0.45*0.2790.186A

(3).求各繞組交,直流電阻:

初級:RpDC=(LNp*RDC)/2=(155.6712*0.00259)/2=0.2015Ω

Rpac=1.6* RpDC =0.321Ω

次級:RsDC=(LNs*RDC)/2=(15.786*0.00198)/2=0.0156Ω

Rsac=1.6* RsDC= 0.0249Ω

偏置:RbDC=61.32*0.01001=0.6138Ω

(4).計算各繞組交直流銅損耗:

初級直流損耗:PpDC=I2rms* RpDC=0.125*0.2015=0.02518W