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PSR原边反馈开关电源之变压器设计

  • 2011-04-21 21:32
  • javike

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  • 目前比较流行的低成本、超小占用空间方案设计基本都是采用PSR原边反馈反激式,

    通过原边反馈稳压省掉电压反馈环路(TL431和光耦)和较低的EMC辐射省掉Y电容,

    不仅省成本而且省空间,得到很多电源工程师采用。

    比较是新技术,目前针对PSR原边反馈开关电源方案设计的相关讯息在行业中欠缺。

    下面结合实际来讲讲我对PSR原边反馈开关电源设计的独特方法——以实际为基础。

    要求条件:

    全电压输入,输出5V/1A,符合能源之星2之标准,符合IEC60950EN55022安规及EMC标准。

    因充电器为了方便携带,一般都要求小体积,所以针对5W的开关电源充电器一般都采用体积较小的EFD-15EPC13的变压器,此类变压器按常规计算方式可能会认为CORE太小,做不到,如果现在还有人这样认为,那你就OUT了。

    磁芯以确定,下面就分别讲讲采用EFD15EPC13的变压器设计5V/1A 5W的电源变压器。

    1. EFD15变压器设计 

    目前针对小变压器磁芯,特别是小公司基本都无从得知COREB/H曲线,因PSR线路对变压器漏感有所要求。

    所以从对变压器作最小漏感设计入手:

    已知输出电流为1A5W功率较小,所以铜线的电流密度选8A/mm2,

    次级铜线直径为:SQRT(1/8/3.14)*2=0.4mm

    通过测量或查询BOBBIN资料可以得知,EFD15BOBBIN的幅宽为9.2mm

    因次级采用三重绝缘线,0.4mm的三重绝缘线实际直径为0.6mm.

    为了减小漏感把次级线圈设计为1整层,次级杂数为:9.2/0.6mm=15.3Ts,15Ts.

    IC内部一般内置VDS耐压600~650VMOS,考虑到漏感尖峰,需留50~100V的应力电压余量,所以反射电压需控制在100V以内,

    得:(Vout+VF)*n<100,即:n<100/5+1,n<16.6,

    n=16.5,得初级匝数NP=15*16.5=247.5

    NP=248,代入上式验证,(Vout+VF*(NP/NS)<100,

    (5+1)*(248/15)=99.2<100,成立。

    确定NP=248Ts.

    假设:初级248TsBOBBIN上采用分3层来绕,因多层绕线考虑到出线间隙和次层以上不均匀,需至少留1Ts余量(间隙)。

    得:初级铜线可用外径为:9.2/(248/3+1)=0.109mm,对应的实际铜线直径为0.089mm,太小(小于0.1mm不易绕制),不可取。

    假设:初级248TsBOBBIN上采用分4层来绕,

    初级铜线可用外径为:9.2/(248/4+1)=0.146mm,对应的铜线直径为0.126mm,实际可用铜线直径取0.12mm

    ICVCC电压下限一般为10~12V,考虑到至少留3V余量,取VCC电压为15V左右,

    得:NV=Vnv/(Vout+VF)*NS=15/(5+1)*15=37.5Ts,38Ts.

    PSR采用NV线圈稳压,所以NV的漏感也需控制,仍然按整层设计,

    得:NV线径=9.2/(38+1)=0.235mm, 对应的铜线直径为0.215mm,实际可用铜线直径取0.2mm。也可采用0.1mm双线并饶。

    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

    PSR原边反馈开关电源设计之二——电路设计 

    PSR原边反馈开关电源设计之三——EMC设计技巧

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  • javike

    LV.1

    2011-04-21 21:43

    @

    到此,各线圈匝数就确定下来了。

    下面来确定绕线顺序。

    因要工作在DCM模式,且采用无Y设计,DI/DT比较大,变压器磁芯研磨气隙会产生穿透力强杂散磁通导致线圈测试涡流,影响EMC噪音,所以需先在BOBBIN上采用0.1mm直径的铜线绕满一层作为屏蔽,且引出端接NV的地线。

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  • dengyuan

    LV.1

    2011-04-21 21:47

    @

    老兄,你的这个设计有没有考虑可能变压器绕不下去,8A/mm*mm的电流密度太大了吧,在小适配器中温升应该不低。EFD15的变压器原边需要248TS吗,太多了。减低匝比有利于提高输出电压的电压调整率。如果是单层绝缘线,其绝缘层的厚度有0.05mm.所以你要仔细验证你的设计,毕竟很多人会按照你的思路去走的。

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  • dengyuan

    LV.1

    2011-04-21 21:53

    @javike

    到此,各线圈匝数就确定下来了。

    下面来确定绕线顺序。

    因要工作在DCM模式,且采用无Y设计,DI/DT比较大,变压器磁芯研磨气隙会产生穿透力强杂散磁通导致线圈测试涡流,影响EMC噪音,所以需先在BOBBIN上采用0.1mm直径的铜线绕满一层作为屏蔽,且引出端接NV的地线。

    其实屏蔽初级线圈的绕组屏蔽的绕法,根数,匝数都是有讲究的。不是随便确认的。一般的设计是屏蔽磁芯的绕组的匝数是初级单层绕组的1/2,方向要相反.

    屏蔽次级与初级的匝数是初级单层匝数的1/3,方向也要相反,

    最好的是次级绕制时骨架能够调个方向,是其的热点跟初级的热点在一边.

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  • javike

    LV.1

    2011-04-21 21:56

    @dengyuan

    老兄,你的这个设计有没有考虑可能变压器绕不下去,8A/mm*mm的电流密度太大了吧,在小适配器中温升应该不低。EFD15的变压器原边需要248TS吗,太多了。减低匝比有利于提高输出电压的电压调整率。如果是单层绝缘线,其绝缘层的厚度有0.05mm.所以你要仔细验证你的设计,毕竟很多人会按照你的思路去走的。

    PSR的电压调整率不是靠匝比来控制的,后续我会再讲电压调整的调节方式和匝数对PSR线路的EMC影响。放心,变压器一定得让你绕下去,后面会有计算的,此方式设计的变压器我以在多款产品上出货N批了。

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    2011-04-21 22:01

    @dengyuan

    其实屏蔽初级线圈的绕组屏蔽的绕法,根数,匝数都是有讲究的。不是随便确认的。一般的设计是屏蔽磁芯的绕组的匝数是初级单层绕组的1/2,方向要相反.

    屏蔽次级与初级的匝数是初级单层匝数的1/3,方向也要相反,

    最好的是次级绕制时骨架能够调个方向,是其的热点跟初级的热点在一边.

    你说的这种绕法是不错,但不适用。

    第1,人工成本导致变压器制造成本高;

    第2,会导致线包大,取1/2会导致绕线不均匀而影响漏感。

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  • javike

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    2011-04-21 22:08

    @javike

    到此,各线圈匝数就确定下来了。

    下面来确定绕线顺序。

    因要工作在DCM模式,且采用无Y设计,DI/DT比较大,变压器磁芯研磨气隙会产生穿透力强杂散磁通导致线圈测试涡流,影响EMC噪音,所以需先在BOBBIN上采用0.1mm直径的铜线绕满一层作为屏蔽,且引出端接NV的地线。

    绕完屏蔽后,保TAPE1层;

    再绕初级,按以上计算的分4层绕制,完成后包TAPE 1层;

    为减小初次级间的分布电容对EMC的影响,再用0.1mm的线绕一层屏蔽,包TAPE 1层;

    再绕次级,包TAPE 1层;

    再绕反馈,包TAPE 2层。

     

     

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    2011-04-21 22:08

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    不错,学习了。谢谢!
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  • javike

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    2011-04-21 22:16

    @javike

    绕完屏蔽后,保TAPE1层;

    再绕初级,按以上计算的分4层绕制,完成后包TAPE 1层;

    为减小初次级间的分布电容对EMC的影响,再用0.1mm的线绕一层屏蔽,包TAPE 1层;

    再绕次级,包TAPE 1层;

    再绕反馈,包TAPE 2层。

     

     

    可能有人会说:怎么没有计算电感量?

    因前面说了,CORE的B/H不确定,所以得先从确定饱和AL值下手。

    把变压器CORE中柱研磨一点,然后装上以上方式绕好的线圈装机,并用示波器检测Rsenes上的波形,见下图中R5.

     

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  • javike

    LV.1

    2011-04-21 22:25

    @javike

    可能有人会说:怎么没有计算电感量?

    因前面说了,CORE的B/H不确定,所以得先从确定饱和AL值下手。

    把变压器CORE中柱研磨一点,然后装上以上方式绕好的线圈装机,并用示波器检测Rsenes上的波形,见下图中R5.

     

    输入AC90V/50Hz,慢慢加载,观察CORE有没有饱和,如果有饱和迹象,拆下再研磨……直到负载到1.1~1.2A刚好出现一点饱和迹象,(此波形需把波形放大到满屏观察最佳)

    OK,拆下变压器测量电感量,此时所测得的电感量作为最大值依据,再根据厂商制造能力适当留+3%~+5%的误差范围和余量,如:测量为2mH,则取2-2*0.05=1.9mH,误差为+/-0.1mH.

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  • luoshen

    LV.1

    2011-04-21 22:35

    @javike

    PSR的电压调整率不是靠匝比来控制的,后续我会再讲电压调整的调节方式和匝数对PSR线路的EMC影响。放心,变压器一定得让你绕下去,后面会有计算的,此方式设计的变压器我以在多款产品上出货N批了。

    顺道讲讲PSR的恒流控制的实现方式吧!那时候没搞太懂

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