反激式开关电源变压器的设计研究.pdf

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第2期(总第189期)
机械工程与自动化
2015年04月
MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION
A
文章编号:1672-6413(2015)02-0200-03
反激式开关电源变压器的设计研究
刘晓龙,钱炜,孙福佳
上海理工大学机械工程学院,上海200093)
摘要:设计并实现了一种简单易行且适用于连续电流和断续电流两种模式的变压器设计方法,并利用此方法
对基于 Topswitch-gx的多输出反激式开关电源变压器进行了设计研究。对电源的实验波形进行分析,结果
表明,开关电源交流电压输入在86V~265V的范围内都能够稳定输出直流电压,说明此变压器设计方法可
行,降低了计算难度,为反激式变压器的快速设计提供了便利。
关键词:反激式;开关电源;变压器;设计
中图分类号:TM41
文献标识码:B
0引言
裕,在初级绕组中储存能量;当功率开关管 MOSFET
功率开关管、PWM控制器和变压器是开关电源截止时,变压器初级绕组中储存的能量通过次级绕组
必不可少的组成部分。开关电源变压器具有磁能转及整流二极管整流和滤波电容滤波后向负载输出,
换、电压变换和绝缘隔离的作用,是开关电源的核心元这样就可以以开关频率来控制次级电流。由于开关频
件。其设计的好坏,不仅影响变压器本身的发热和效率高达132kHz,使得高频变压器能快速地储存和释
率,而且还会影响到开关电源的技术性能和可靠性。放电能,经过高频整流滤波后就可以很容易地获得直
传统的设计方法公式复杂、参数多、计算复杂且可靠性流电压输出。
难以保证。本文采用一种简单易行的设计方法对基于
Topswitch-gx的40W反激式开关电源变压器进行
AC
IN
设计研究,并通过开关电源的实验波形证明了此方法
的可靠性和实用性。
Topswitch-GX系列的性能
CONTROI
Topswitch-GX系列采用高效节能的集成电路技
Topswitch-GX?H
术,全频时具有高达132kHz的开关工作频率,减小
S
了变压器和电源体积;采用线电压前馈,减小了低压时
的输出电压纹波,限制了高压时的最大占空比,并具有
图1基于 Topswitch-GX的单端反激式开关电源原理图
更宽的占空比;它利用反馈电流来调节占空比,当输出3基于TOP246YN的变压器设计
电压降低时,经过光耦反馈电路使反馈电流减小,占空
TOP246YN是设计精密型电路的芯片,此芯片输
比增大,输出电压随之升高,最终使输出电压维持不出功率大,以适应更高功率的应用,它集成了多项新功
变;当输出电压升高时,通过内部调节也能使输出电压能,降低了系统成本,提高了设计的灵活性及效率
维持不变。
在单端反激式开关电源中,变压器既是储能元件
2单端反激式开关电源的工作原理
又是传递能量的主体,它在开关管导通时储能,关断时
基于 Topswitch-GX的单端反激开关电源原理向负载释放能量。在开关管的作用下,直流电转变成
如图1所示。所谓单端是指高频变压器的磁芯仅工作方波施加于开关电源变压器上,经过开关电源变压器
在磁滞回线的一侧,即 Topswitch-GX器件只有漏极的电磁转换输出所需要的电压。变压器参数设计的依
D这一个脉冲调制信号功率输出端。所谓反激式是指据是:输人电压最小且输出功率最大时变压器线圈的
当功率开关管 MOSFET导通时,高频变压器初级绕电流最大,储能最多,承受的负荷最大2。
组上的感应电压为上正下负,整流二极管处于截止状3.1设计规格
收稿日期:2014-05-09;修订日期:2014-12-10
作者简介:刘晓龙(1988-),女,山东临沂人,在读硬士研究生,研究方向为先进制造技术
2015年第2期
刘晓龙,等:反激式开关电源变压器的设计研究
201
变压器的参数如下:
其中:Kp为初级纹波电流IR与IP的比值,根据经
输入电压(V):
85~265(单相交流);
验,在宽电压范围时Kp取0.414。将所取数值代入
输出电压(电流):
24V(1A),18V(0.2A),士15式(5)求得Ip=0.953A
V0.2A),5V(1.2A)(直流);
电路在电流临界连续状态时,初级电感量L
期望工作效率(%):80;
(pH)为:
输人的电源频率(Hz):50;
Vin min X Tc
=1280.7
开关工作频率(kHz):132;
K
6)
开关管导通压降(V):10
3.5计算变压器绕組的匝数
3.2磁芯的选择
变压器变比n
铁氧体材料的磁芯价格便宜,具有很好的储能和
当TOP246YN中的 MOSFET关断时,储存在变
抑制信号传输过程中的尖峰和振铃作用,并且可以做压器初级绕组中的能量开始向次级传递,变压器次级
成多种几何形状的磁芯。高磁通密度应用的功率铁氧电压V,与输出电压V。的关系为
体材料PW2适用频率为25kHz~200kHz,主要应用
V=V。+v+V
于开关电源变压器磁芯。根据经验,高频变压器磁芯其中:V为输出整流二极管的压降,取0.7V;V2为
的截面积A.(cm2)的计算公式为
变压器次级绕组压降,取0.5V。变压器变比的计算
A.=0.12Pm.
公式为:
其中:Pm为最大承受功率。本设计中反激式开关电源
Ns V
(8)
的输出功率Pour为40W,设效率7为80%,则变压器其中:Ns为次级绕组匝数;NP初级绕组匝数。本设
的额定输入功率为50W。将所取数值代入式(1)求得
A.=0.85cm2。査得EE35型磁芯的A,值为0.848
计共有5路输出,分别为24V、18V、士15V和5V,
将所取数值代入式(8)可求得变压器变比n分别为
cm2[3。因此,可初步选用EE35型铁氧体磁芯。普通
0.187、0.142、0.12和0.046。
铁氧体材料在温度为100C时饱和磁通密度B,=0.4T
初级绕组N的匝数
3.3计算最大占空比D
最大占空比的计算公式为:
NM=unmD2m×103
(9)
Abmf
(2)
将所取数值代入式(9)计算得NP=42.12,实取
mVx+VmmaーVs
42匝
其中:Vex为次级反射到初级的反射电压,即反激电3.5.3次绕组Ns匝数
压,对于 Topswitch器件Vx为80V~135V,这里取
次级绕组匝数计算公式为:
135V;Vns为 MOSFET的漏一源极通态电压,取10
Ns=Npxn
V;Vmn为 Topswitch-GX器件要求最小的交流输入
将所取数值代人式(10)计算得:输出为24V时,
电压(85V)对应的最小直流输入电压,Vmn=85-N、取8匝;输出为18V时,Ns取6匝;输出为士15V
v2=120V。将所取数值代人式(2)求得Dmx=0.55。时,Ns取5距;输出为5V时,Ns取2匝。
磁芯的乘积面积A计算公式为:
反馈绕组NF匣数
AP=A,XA。1.1× POUT X Dmw×1