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电源适配器变压器设计(饱和磁心型变换器)

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电源适配器变压器设计(饱和磁心型变换器)

在下列设计电源适配器变压器举例中,使用矩形磁滞回环铁氧体环形TDKH7A材料(见图)。由于这种材料的磁滞损耗和剩磁都低,所以在本例的应用中具有优良的特性。因此,该磁心损耗低、反激作用强、开关性能好。由于该磁心在50kHz频率下将从一个饱和方向工作到相反的饱和方向,故需要低损耗材料。因为将使用整个磁滞回环,所以磁心的损耗将最大。

步骤1,选择磁心尺寸

对于这种类型的低功率变换器(5~25W),由于磁心尺寸的选择是从绕组放置方便面不是功率的角度来考虑,因此磁心尺寸通常大于单独满足功率需求所需的尺寸。再有,由于固有磁心损耗大,如果可避免过度的温升则铜损耗必定小。已经发现,如果使用电流密度大约为150A/cm2的导线,选择刚好能放置单层原边绕组的环形磁心,则其尺寸足以满足功率需求,这种设计方法将用于下面的举例中。

考虑满足下列需求的设计:

输出功率10W

输入电压48VDC

工作频率50kHz

输出电压12V

输出电流830mA

 

 步骤2,计算输入功率和电流

输出功率为10W,假设效率=70%,则输入功率为:

 电源适配器变压器设计

输出采用全波整流,并工作于方波,则输入电流近似于连续的直流,可以计算如下:

 电源适配器变压器设计

 

步骤3,选择导线规格

按电流密度为150A/cm2考虑,从表可知,0.3A的电流需要24号规格的导线。因此导线直径是0.057cm。

注意:双原边绕组使用两根导线,每匝双绞线占用空间0.114cm

 

 

步骤4,计算原边匝数

在这种自激振荡变换器中,导通持续时间和频率是由磁心的饱和来设定的。由于这是推挽电路,在每半个周期中,总磁通密度变化量△B必定从一B变到+B。从图中可查得,对于H7A材料在80℃时,饱和磁通密度是3500G。磁偏移是2×3500=7000(700mT)。

磁心的尺寸要求只允许24AWG导线的单层双线绕组,可是要得到磁心尺寸,有两个问题要解决。

(1)原边匝数要使磁心在48V,10u(50kHx)的半个周期时饱和(这与磁心面积成反比)。

(2)24AWG双线的匝数以单层绕在磁心上(与中心圆孔周长成比例,见图)

本例中不知道中心圆孔周长与磁心面积之间的关系,这对不同的磁心设计是不同的,所以使用图解的解决方案。图解法的根据如下

 

 电源适配器变压器设计

图具有单层绕组的环形材料的有效内圆周长

考虑表,假设从T6-12-3到T14.5-20-7.5的范围中可以找到合适的磁心。

 

 电源适配器变压器设计

表中给出了每个磁心的面积,则工作频率下每个磁心饱和所需的匝数和所加的电压可以由下式计算:

 电源适配器变压器设计

式中,Np=原边匝数;

Vcc=电源适配器电压,单位是V;

Ton=导通时间(1/2周期),单位是s;

△Bs=磁通密度变化量,单位是T(-B=~+B=)A。=有效磁心面积,单位是mm2从T6-12-3到T14.5-20-7.5的范围中每个磁心饱和所需的匝数由上式计算,并填入表中

 

表中给出了中心孔的尺寸,如图中所示,满足每个磁心单层绕制的匝数可由计算如下。

考虑紧密填塞绕组的环形孔。图表示,中心孔的直径与下式决定的匝数有关(假设匝数多,导线直径与中心孔直径相比较小):

 

式中,D=中心孔直径,单位是mm;

dw=导线直径,单位是mm;

Nw=原边绕组数(满足在磁心上单层绕制)

注意:原边按双线绕制,原边“线匝”N是指一对导线,最终要将它们分开,形成具有中间抽头的原边的两个绕组。因此,每匝由两条平行导线组成,所以Np=Nw/2

 

计算出每个磁心(型号从T6-12-3到T14.5-20-7.5)正好单层绕上双绕组N的匝数,并填入表中。

现在画出(见图2。15。6)50kHz时磁心饱和所需的匝数与磁心面积的关系曲线(曲线A)和正好单层缠绕磁心的最大双绕组匝数与磁心面积的关系曲线(曲线B)。这两条曲线的交叉点给出了最佳磁心面积,由该点可以确定磁心尺寸。

可以看到理想面积在磁心T和T1之间,所以选择最接近的较大的磁心T10-20-5。磁心面积已在图中标出(水平的虚线)。从磁心面积与A线的交叉点作一垂线,得到磁心饱和所需的原边匝数(本例为28匝),磁心面积与B线的交叉点表明了29匝24AWG的导线可以单层绕在该磁心上。

很明显,匹配点随磁心结构和导线尺寸的不同而变化,即使总是使用较大的磁心,由于磁心出现饱和,较大磁心的功率损耗将增加(效率降低)。

本例中,选择磁心T10-20-5,原边绕组P、P3取28匝。2根24规格的导线一起缠绕,构成双绕组。

每伏匝数是

 

 

选择大约5V的反馈电压以提供足够的再生反馈,加速开关作用。在本例中,反馈绕组P2取3匝。副边绕组根据变压器正常工作所要求的输出电压来设计,在此选用8匝。

 

 电源适配器变压器设计

图为单层绕组寻找最佳环形磁心尺寸的图解方法

晶体管基极反馈电阻R3的值根据最大集电极电流和晶体管增益来选取。发射极电阻R1和R2的选取要保证在正常满载条件下晶体管驱动不出现“钳位”,而是在过量集电极电流流过之前出现。较好的折中考虑是在满载基础上加上大约30%的电流裕量。记住,发射极电流是折算过来的负载电流、磁化电流和基极驱动电流的总和,本例中该电阻取值2.2Ω。

  

在这种电路结构中,由于是用一个晶体管的关断作用起动另一个晶体管的导通作用,故消除了交叉导通(两个功率晶体管同时导通引起的直通)。同时,储存时间的自动调节使该电路不具有交叉导通的可能性。这是自激振荡变换器的一种非常有用的特征。

这种简单自激振荡变换器的频率会随着输入电压、磁心温度(由于高温时饱和磁通水平的变化)和负载的变化面变化。负载的增加在变压器电阻和晶体管中引起压降,使变压器原边的有效电压较低,因此随着负载增加频率将降低。

 


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| 发布时间:2018.10.22    来源:电源适配器厂家
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