拿走不谢！单端反激开关电源变压器设计

今天群里有人问我关于“单端反激开关电源”的相关问题，正好我这里有资料，就发出来供大家参考，
欢迎大家回帖互动。

分享内容如下：

单端反激开关电源的变压器实质上是一个耦合电感，它要承担着储能、变压、传递能量等工作。下面对工作于连续模式和断续模式的单端反激变换器的变压器设计进行了总结。

1、已知的参数

这些参数由设计人员根据用户的需求和电路的特点确定，包括：输入电压V_in、输出电压V_out、每路输出的功率P_out、效率η、开关频率f_s(或周期T)、线路主开关管的耐压V_mos。

2、计算

在反激变换器中，副边反射电压即反激电压V_f与输入电压之和不能高过主开关管的耐压，同时还要留有一定的裕量(此处假设为150V)。反激电压由下式确定：

V_f=V_Mos-V_inDCMax-150V

反激电压和输出电压的关系由原、副边的匝比确定。所以确定了反激电压之后，就可以确定原、副边的匝比了。

N_p/N_s=V_f/V_out

另外，反激电源的最大占空比出现在最低输入电压、最大输出功率的状态，根据在稳态下，变压器的磁平衡，可以有下式：

V_inDCMin•••D_Max=V_f•(1-D_Max)

设在最大占空比时，当开关管开通时，原边电流为I_p1，当开关管关断时，原边电流上升到I_p2。若I_p1为0，则说明变换器工作于断续模式，否则工作于连续模式。由能量守恒，我们有下式：

1/2•(I_p1+I_p2)•D_Max•V_inDCMin=P_out/η

一般连续模式设计，我们令I_p2=3I_p1

这样就可以求出变换器的原边电流，由此可以得到原边电感量：

L_p= D_Max•V_inDCMin/f_s•ΔI_p

对于连续模式，ΔI_p=I_p2-I_p1=2I_p1；对于断续模式，ΔI_p=I_p2。

可由A_wA_e法求出所要铁芯：

A_wA_e=(L_p•I_p2²•10⁴/B_w•K₀•K_j)^1.14

在上式中， A_w为磁芯窗口面积，单位为cm²

A_e为磁芯截面积，单位为cm²

L_p为原边电感量，单位为H

I_p2为原边峰值电流，单位为A

B_w为磁芯工作磁感应强度，单位为T

K₀为窗口有效使用系数，根据安规的要求和输出路数决定，一般为0.2~0.4

K_j为电流密度系数，一般取395A/cm²

根据求得的A_wA_e值选择合适的磁芯，一般尽量选择窗口长宽之比比较大的磁芯，这样磁芯的窗口有效使用系数较高，同时可以减小漏感。

有了磁芯就可以求出原边的匝数。根据下式：

N_p=L_p•I_p2•10⁴/B_w•A_e

再根据原、副边的匝比关系可以求出副边的匝数。有时求的匝数不是整数，这时应该调整某些参数，使原、副边的匝数合适。

为了避免磁芯饱和，我们应该在磁回路中加入一个适当的气隙，计算如下：

l_g=0.4π•N_p²•A_e•10^-8/L_p

在上式中， l_g为气隙长度，单位为cm

N_p为原边匝数，

A_e为磁芯的截面积，单位为cm²

L_p为原边电感量，单位为H

至此，单端反激开关电源变压器的主要参数设计完成。我们应该在设计完成后核算窗口面积是否够大、变压器的损耗和温升是否可以接受。同时，在变压器的制作中还有一些工艺问题需要注意。

附加

在设计变换器时，首先要选择开关频率。提高频率的主要目的是减少电源的体积和重量。而占电源体积和重量最大的是磁性元件。现代开关电源中磁性元器件占开关电源的体积（20%～30%），重量（30%～40%），损耗20%～30%。根据电磁感应定律有

BfNAUΔ=

式中U－变压器施加的电压；N－线圈匝数；A－磁芯截面积；ΔB－磁通密度变化量；f－变压器工作频率。

在频率较低时，ΔB受磁性材料饱和限制。由上式可见，当U一定时，要使得磁芯体积减少，匝数和磁芯截面积乘积与频率成反比，提高频率是减少电源体积的主要措施。这是开关电源出现以来无数科技工作者主要研究课题。

但是能否无限制提高开关电源频率？非也。主要有两个限制因素：第一是磁性材料的损耗。高频时一般采用铁氧体，其单位体积损耗表示为

βαηmTBfP= (1)

式中η－不同材料的系数；f－工作频率；B_m－工作磁感应幅值。α和β分别为大于1的频率和磁感应损耗指数。一般α＝1.2～1.7;β=2～2.7。频率提高损耗加大，为减少损耗，高频时，降低磁感应B_m使得损耗不太大，违背了减少体积的目的。否则损耗太大，效率降低。再者，磁芯处理功率越大，体积越大散热条件越差，大功率磁芯也限制开关频率。