高频FLYBACK 变压器之最佳设计

高频FLYBACK 变压器(偶合电感器)最佳之设计

一.前言:

由于市场日益竞争,如何将产品的价格降低,体积缩小,质量提高变成现今大家所共同努力的目标.而在Switch Power Supply 的领域里,变压器是非常重要的一部份,而Flyback 变压器更在其中占了举足轻重的地位.如何将变压器最佳化,就显得额外的重要.

我们可以从很多SPS书籍中获得Flyback 变压器的设计方法,虽然不尽相同,却是大同小异.就一个设计者的角度来说,设计一个Flyback变压器并不难,只要将设计的参数订定,依照书上所写的设计步骤,一个变压器就诞生了,在这变压器诞生的同时,你难道不会怀疑,这变压器是否为最佳的变压器呢?因为在这设计的参数里还隐藏了不确定的因子.例如Flyback 变压器初级测电感值参数的订定,你如何能确定你刚开始设计所选定的感值对这颗变压器是最佳感值呢?本文将针对设计参数做进一步的探讨,以达到变压器的最佳化.

二.变压器设计:

在实际设计变压器时,有两个原则是必须注意到的: (1)温升:这是设计变压器最主要的项目和目的,安

规里有规定变压器的最高温升,变压器的温升需在安规的限制范围内.例如: class A 的绝对温度不能超过90°C ; class B 不能超过110°C 等等,这都是我们设计必须遵循的准则.

(2)经济:想在这市场上与人竞争,经济考虑是不可

或缺的,尤其是变压器往往是机器COST中的主要部分之一,所以如何将变压器的价格,体积,质量掌握到最佳,就是我们所努力的方向.

1.设计步骤:

要将变压器最佳化,需将不同的参数重复代入计算,如果利用Excel 的方程式或利用程序语言将公式写下来,这样将变得很简单,只要改变参数就

可得到结果.

(1).参数的订定:

在设计变压器之前,需先预定一些参数,很多书籍上这些参数都不同,不同的设计参数,设计流程亦不同,现在针对Flyback变压器最常用的设计参数:

输入电压:Vin,输入的频率:fs,最大Duty cycle : Dmax,初级与次级圈数比: N,初级电感值: Lp,输出电压:V o,输出最大:Wo.线圈的电流密度:J, 最大磁通密度: Bmax, 最大绕线因子:Kw

(2)由这些设计参数算出:

◆Duty on (初级测导通的比例)

◆Duty off (次级测导通的比例)

◆初级交流电流值(ΔI pp)

◆初级电流Peak 值(I p(peak))

◆初级电流RMS值(Irms)

◆初级线圈的线径(Φp)

◆次级电流Peak 值(I p(peak))

◆次级电流RMS值(Irms)

◆初级线圈的线径(Φs)

◆有效磁路面积与铁心可绕面积的乘积(Ac*Aw) 在由Aw*Ac 选择适当的铁心.

设计参数里有些是定死的,例如:Vin,fs(IC操作频率) , Dmax(IC max duty cycle),V o ,Wo.

有些是依经验所定的,例如:电流密度:J(classA 自然散热< 500 A/cm, class B < 700 A/cm); 最大磁通密度Bmax (100°C 饱和磁通密度的80% ); 最大绕线因子Kw(若将漆包线的绝缘厚度算入与减掉安规间距, EE 与EI core< 0.4).

有些是可变的,也是最不确定设计参数,例如: 初级与次级圈数比N,初级电感值Lp;

N 的决定条件为:即使再最低压时,亦能提供稳定的输出电压和能量.因N直接影响到Duty cycle 的大小,N愈大,Duty on 愈大, Ip(rms)愈小,铜损愈小,

Aw*Ac 愈小所以IC 的Duty max 就是选定N 的限制,可以从下式订定N 值

.

D

V D V N

N ⨯⨯

≤

.至于感值Lp 的选定直接影响core 的大小和操作的模式(CCM or DCM) ,也是我们所要探讨的目标.

2. 设计理论:

在刚开始不知道系统操作于何种模式下时,分别对CCM 与DCM 不同操作模式下做理论推导. (1) 操作于CCM 模式时 由

N D V N D V )1(-=

⨯

将初级与次级圈数比N

N N = 代入

→

V N V V

N D

⨯+⨯=

; D D

-=1 ……(I)

由T

I L

V ∆∆= ,

将f

D

T =

∆代入

→

f

L D V I

⨯⨯=

∆ ……(II)

若不考虑效率问题,则

f

I

I

I

L P ⨯∆--⨯⨯=))((2

1

2)

(

2

)

(

将(II)代入 →

2

I D

V

P I

∆+

⨯= ……(III)

)

(

3

b b a a D

I

+⨯+⨯=

)

(peak p I a = ;

pp I b ∆=

……(Ⅳ) 由磁通连续定则

→I N I N ⨯=⨯ →I N I

⨯=)

( (Ⅴ)

)(3

2

2

)

(b

b a a D

I

+⨯+⨯

=

)

(I

a =

; I N I b ∆⨯-

= ……(VI)

2⨯⨯=

ΦJ

I

π (Ⅶ)

2)

(

⨯⨯=

ΦJ

I

π (Ⅷ)

由A N A N A K +=

A :初级导线面积 ; A

:次级导线面积

若不将安规间距与漆包线的绝缘厚度考虑进去, 则

J

I

N

J

I

N

A K )

(

)

(+= (Ⅸ)

由10⨯=A

N

I

L B (gauss)

→ 8)

(10⨯=

B

N

I L A (cm) 乘以 IX

→)1()

()

()

(

I N

I

J

B

K I L A A +

⨯=

……(X)

若将安规间距与漆包线的绝缘厚度考虑进去(如此的做法比较不会因考虑集肤效应采用多股线而产生误差)

在不考虑温度效应下,集肤深度f 61

.6=δ (cm)

选择半径小于集肤深度的线径. 则A

N A N A

A

K +=-)()

(

A :初级导线总面积 ; A

:次级导线总面积

)

(

A

: 安规间距(margin tape)所占的面积

→)A (A )(ws1

wp1)

()

(N

B

K I

L A

A

A +⨯=

-