變壓器的設計方法詳解

    今天講下變壓器的設計方法！變壓器的設計方法有多種，個人感覺適合自己的才是最好的，選擇一個自己最熟悉的，能夠理解的才是最好的！

    先介紹下一種設計方法：

    1.先確定輸入電壓。

    一般是按照最低輸入直流電壓計算VINmin計算

    a.要是直流輸入按直流的最低輸入來計算；

    b.要是輸入為交流電，一般對于單相交流整流用電容濾波，直流電壓不會超過交流輸入電壓有效值的1.4倍，也不低于1.2倍。

    例如，全范圍交流輸入85-265VAC的電源，一般按85VAC時計算，那VINmin=85*1.2=102V，一般會取整數(shù)按100VDC計算。

    2.確定導通時間ton。

    導通時間ton=T*D，T為周期 T=1/f，D為最大占空比，一般在最低輸入電壓的時候，D會最大，保證輸出穩(wěn)定。注意大的占空比可以降低初級的電流有效值，和MOS的導通損耗，但是根據(jù)伏秒法則，初級占空比大了，次級的肯定會小，那么次級的峰值電流會變大，電流有效值變大，會導致輸出紋波變大！所以，一般單端反激拓撲的占空比選取不要超過0.5。而且一般的電流控制模式，占空比大于0.5要加斜率補償?shù)模瑢φ{(diào)試是個難度。還有一重要的是你的占空比決定你的匝比，匝比決定啥，嘿嘿，反射電壓VF，忘了再去上邊看下，再加上你漏感引起的尖峰，最終影響你MOS的耐壓。占空比越小匝比越小，反射電壓VF越低，MOS的電壓應力小。反之MOS的電壓應力大，所以占空比要考慮好了。要保證再最高電壓下你的VDS電壓在MOS的規(guī)定電壓以下，最好是降額使用，流出足夠的余量來！例如，電源的開關頻率為100K，最低輸入時的最大占空比為0.4，那T=1/100000=10μS，那么ton=0.4*10μS=4μS。

    3.確定磁芯的有效面積AE。

    AE一般會在磁芯的資料中給出。

    4.計算初級匝數(shù)NP。

    NP=VINmin*ton/ΔB*AE，式中VINmin為直流最低輸入電壓；ton為導通時間，AE為磁芯的有效面積，ΔB為磁感應強度變化量，這個值和磁芯材質(zhì)，及溫升等有關，一般考經(jīng)驗來選取，在0.1-0.3之間，取得越大，余量越小，變壓器在極端情況下越容易飽和！個人一般取0.2。

    5.計算次級匝數(shù)NS。

    NS=（Vo+Vd）*（1-D)*NP/VINmin*D

    式中Vo為輸出電壓

    Vd為二極管管壓降

    D為占空比

    NP為初級匝數(shù)

    VINmin為最低輸入電壓

    6.確定次級整流二極管的應力VDR。

    上邊算出變壓器的初級匝數(shù)NP和次級匝數(shù)NS后，就可以得出次級整流二極管的電壓應力

    VDR=（VINmax*NS/NP)+VOUT

    式中VINmax為最大輸入電壓，要保證在最高輸入電壓下你的二極管的電壓應力不超標。一般算出來的這個VDR還要考慮降額使用，所以二極管的耐壓要高于這個VDR值。

    一般還要在整流管上并一個RC吸收，從而降低二極管反向回復時間造成的電壓尖峰！尤其是CCM模式的時候！

    7.確定初級電感量LP。

    確定電感量之前我們先看下上邊的兩個電流圖

    對于上圖是兩種工作模式的初級電感電流波形，我加了兩個參數(shù)Ip1和Ip2；Ip1對應最低輸入電流，Ip2對應最高峰值電流，有上邊這兩個我們也就可以算出平均電流Iavg了，Iavg=（Ip1+Ip2）Dmax/2，式中Dmax為最大占空比，如果輸出功率為Pout，電源效率為η，那么

    Pout/η=VINmin*Iavg=VINmin*（Ip1+Ip2）Dmax/2，得出Ip1+Ip2=2Pout/VINmin*Dmax*η

    然后就可以計算Ip1和Ip2的值了，對于DCM來說，電流是降到零的，所以Ip1為零；對于CCM來說Ip1和Ip2都是未知數(shù)，又出來個經(jīng)驗選擇了，一般取Ip2=（2-3）Ip1，不能取得太小，太小了會有一個低電流斜率，雖然這樣損耗小點，但容易使變壓器產(chǎn)生磁飽和，也容易使系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩！個人一般取Ip2=3Ip1。計算出Ip1和Ip2后，這時候可以計算初級的電感量了，在ton內(nèi)電流的變化量ΔI=Ip2-Ip1，根據(jù)（VINmin/LP）*ton=/ΔI，得出LP=VINmin*ton/ΔI，到此變壓器的初級電感量計算完畢，變壓器的參數(shù)也計算完畢！還有一種計算方法，就是按照上邊的確定初級電感量的方法先確定電感量，然后來選擇磁芯，選擇磁芯的方法有很多種，一般最常用的是AP法。

    公式中L為初級電感量也就是LP，Isp為初級峰值電流Ip也就是ΔI，I1L為滿載初級電流有效值，但我往往會把Isp和I1L看成是一個，都是初級的峰值電流，所以仁者見仁智者見智，大家可以到應用時具體的來微調(diào)！Bmax為磁感應強度變化量也就是ΔB.這個取值和上邊一樣，取得太大，磁芯小但容易飽和，而取得太小磁芯的體積又很大，所以一般折中取值！而且和頻率關系也很大，要是頻率很高，建議取小點，因為頻率高了損耗也大，變壓器大了有利于散熱。個人經(jīng)常取0.2！K1=Jmax*Ko*10-4，其中Jmax為最大電流密度 俺一般取450A/平方厘米。但趙老師書里取得是420A/平方厘米。Ko為窗口面積，有的也叫窗口利用率吧，一般取0.2-0.4，具體要看繞線的結構了，比如加不加擋墻等因素，所以選取時要充分考慮，免得因取得變壓器太小，結構要求苛刻而繞不下，導致項目失敗！10-4是由米變厘米的系數(shù)

    所以上式整理下可得AP=Aw*Ae=（LP*IP2*104/450*ΔB*Ko）4/3cm4，計算出了AP就可以找到合適的磁芯，然后找到Ae再根據(jù)式NP=LP*IP/ΔB*Ae。式中LP就是上邊算得初級電感量。

    IP為初級峰值電流，ΔB為磁感應強度變化量，AE為磁芯的有效面積，后邊的次級匝數(shù)NS和次級整流二極管電壓應力的確定就和上邊的步驟5和6一樣了！那這兩種初級匝數(shù)NP的確定方法到底哪個對呢，可以告訴大家都對。根據(jù)電磁磁感應定律：

    （VINmin/LP）*ton=IP

    所以VINmin*ton=L*Ip，所以這兩個從本質(zhì)上式一樣的。個人覺得第一個適合有經(jīng)驗的工程師，可以憑經(jīng)驗來選擇變壓器，然后來計算變壓器參數(shù)而第二種適合初學者，先確定變壓器再算變壓器參數(shù)，免得因自己經(jīng)驗不足而走了彎路！

    其實設計出來的參數(shù)僅供參考，由于變壓器的漏感，PCB的布局，走線等因素會在調(diào)試時做微調(diào)，最后做出一個最優(yōu)的、可靠的產(chǎn)品！<