单端正激式开关电源-主电路设计 - 图文(4)

2019-09-02 14:06

WaAc?0.68Poutdw (3.2)

Bmaxf式中dw— 一次绕组的导线截面积,单位为cm2;

Bmax—工作时的最大磁通密度,单位为T;

f —工作频率;

Pout—电源的总输出功率,单位为W。

其次,要确定窗口利用因数,计算总的窗口利用因数。窗口利用因数可以从表3-2中得到。

表3-2 变压器窗口利用因数

可以利用下面式子把这些独立的窗口利用因数综合起来:

Knet?KaKb? (3.3)

最后,从下面式子可以得到变压器磁心的估计尺寸:

WaAc'?KnetWaAc (3.3)

在美国,结果是用in4来表示的,而对于一个使用公制的系统是用m4来表示。这两钟单位制的转换如下:

1m4?2.402?106in4 (3.4) 1in4?4.162?10?7in4 (3.5)

有些磁心制造厂家的数据手册给出了磁心参数WaAc,这和上面的计算公式是一致的。要选择最接近或稍大一点的磁心。也可以根据磁心制造厂家确定磁心尺寸的方法进行变压器设计。其实本阶段变压器的设计只是一个粗略的估计。

3.2正激式变压器的设计

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正激式变压器有两个主要的作用:第一,实现输入和输出之间的电隔离;第二,升高或降低经脉宽调制以后的交流电压幅值。 3.2.1 变压器匝数比的确定

第一步,确定一次绕组需要的匝数。这时,要用到选定的磁心和磁性材料的数据手册中查到的参数,同时,磁通密度的最低值也应该确定下来,CGS制时,一次绕组匝数可以用下式确定:

(3.6)

第二步,根据一次绕组匝数,确定二次绕组的匝数。

输出整流器的压降是不能忽略的,于是二次绕组匝数用下式确定:

(3.8)

用这个公式可以算出在预期的最小输入电压值下需要的二次绕组匝数。如果输入电压低于这个值时,调节器将失去调节作用。

这样算得的匝数通常不是整数,但大多数磁心只能绕整数匝,因此要取最接近的整数来近似。这会导致输出电压误差的增加。我们就要核对这个误差是否会超出所设计的电源容许的范围。比较原来每匝电压值与取整后每匝输出电压,如果这些输出电压误差太大,首先考虑换一种更高或者更低正向导通压降的整流桥。如果这些输出电压还不满足要求,就可以在原来的输出绕组上增加一匝线圈,并重新计算加匝后的输出的电压值,同时检查误差是否在可以接受的范围内。如果这样修改,结果仍无法接受,只好回到最开始的地方,重新增加一次绕组匝数,然后重新计算二次绕组匝数。下一步要考虑怎样安排二次绕组。也就是二次侧是否需要隔离,用中间抽头还是不用中间抽头,是否要用自耦变压器式的二次侧。

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在自耦变压器中较低的电压输出端的绕组是共用的。

3.3 变压器的绕线技术

开关电源变压器的物理绕制方法是很重要的,它会使电源性能差别很大。好的绕线方法是可以使电源性能变得非常好,反之也使电源噪声很大,性能变差。开关电源变压器与50/60Hz的工频变压器相比,设计要求更为苛刻。 变压器的绕制,主要有三个方面的因素要考虑: 1)电源是否必须符合所有的安全规范。 2)绕组之间耦合要好。 3)所有绕组的漏感应尽可能小。

这些因数有些是相互影响的,所有需要采取折中办法。 3.3.1 绕组符合安全规程

如果开关电源的输入电压峰值高于40V,就要受到一个或多个国际安全规程组织所制订的规程约束。这些组织一般相互借鉴对方的安全规程,但设计者仍要再查看自己的产品所销往的市场对这方面的要求。国际电工委员会IEC是这些标准的主要制订者,其标准为欧共体的安全规程组织所采用。其余的安全规程组织,如美国UL、加拿大标准机构CAS和日本的VCCI一起努力,在IEC标准的基础上采用统一的安全规程。这将使同一套标准在全世界范围都可使用。但在这套协调好后的标准被采用之前,世界上各个国家的这些标准还是存在差别的。 在每个国家,不同的市场也有不同的标准。例如,电信市场与病人相关的医疗市场就有不同的安全规程要求。所以,在产品设计流程开始之前,确定产品的目标市场是非常重要的。市场的不同,也是IEC标准也努力协调的一部分。 在“离线式”或输入交流电压90-260V的开关电源中,通常使用的磁心是E-E磁心和E-E磁芯派生出来的一些磁芯。这些磁心都有骨架,这使得它们制造比较容易。爬线距离或输入绕组和输出绕组表面的距离不能小于4mm。因此,在绕制变压器时可以在骨架中绕线区的两端放置2mm厚的绝缘带,把绕线绕在边沿的带子之间。这些边沿的带子在绝缘的绕组之间总共增加了4mm的距离。常见的符合IEC标准的变压器如图3-1。

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图3-1

导线从骨架中引出的时候也要绕上绝缘带,这也是由于标准规定导线通过这4mm空间时的要求。输入和输出端也要有4mm的距离。

3.3.2 低漏感的绕制方法

漏感是指没有耦合到磁心或其他绕组的可测量的电感量。它的影响就像一个独立的电感串接在绕组的引线上一样。它是导致功率开关管漏极或集电极和输出二极管阳极上的尖峰的原因。这是由于它的磁通无法被二次绕组所匝链。

对于已选定的磁心和计算好的绕组,可以根据以下公式估算漏感。

(3.9)

式中 K—取3

Lmt—整根绕线线绕在骨架上平均每匝的长度,单位为in nx—绕组所包含的匝数

W1—绕组的宽度,单位为in Tins—绕线的绝缘厚度,单位为in

bw—制作好的变压器所有绕组的厚度,单位为in

公式给出了影响绕组漏感的主要因素。变压器设计者能够控制的主要因素是选择磁心中柱长的磁心。绕组越宽,漏感越小。一次二次耦合的好坏对一次漏感也有很大的影响。这点可以从把一次绕组分成两半,二次绕组夹在中间或交错在中间的绕法中看出来。

另外一个比较麻烦的变压器寄生参数是线圈的匝间电容,这可以分布在整个绕组各个线圈之间的小电容来表示。一次输入电压较高的变压器,绕线间的分布

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电容是一个问题。特别是离线式或高输入电压的开关电源中,这个问题就更突出了。这个寄生电容是由于同一绕组邻近线圈的电位不同而引起的。式2表示的就是一个绕组中两匝之间存储的能量,并且这个公式说明了这些电容产生的原因。在开工转换时,这个能量就以尖峰的形式释放。

(3.10)

式中 S—绕组之间的距离,单位为m d—导线直径,单位为m

如果线圈一层接着一层来回绕,分布电容存储的能量就很大。最后,线圈间的电压差也很大,甚至有可能接近绝缘击穿电压。这会得到很糟的结果。图3-2所示的就是三种不同的绕制方法。

图3-2

这些减小分布电容的绕制方法可以极大地减小导线间的绝缘压力,减小了相邻线圈间由于绝缘被击穿而产生电弧的可能性。

本设计所采用的是三明治绕法,所谓三明治绕法是指绕组先绕一半,再绕另一绕组,绕完第二个绕组后把前面个绕组剩下的再绕完,即一组线圈内外都有包住另一组线圈。这种绕法可以减少漏感。

3.3.3 变压器紧密耦合的绕制方法

一次与二次,二次与二次绕组的紧密耦合,是变压器设计者最理想的目标。下面有几种紧密耦合的绕法:

一,绞合绕法

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