小功率開關電源變壓器的設計思路

摘要：隨著國民經濟發展尤其是工業生產和民用電器的升級，作為核心電力的直流電源也得到了快速發展，尤其是小功率開關電源的設計會有一些難點，文章主要就小功率開關電源的核心部件變壓器的設計提出相關認識和設計思路。

關鍵詞：開關電源；變壓器；反激式

中圖分類號：TM46文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2011）16-0010-01

1小功率開關電源的應用和設計難點

隨著國民經濟發展尤其是工業生產和民用電器的升級，作為核心電力的直流電源也得到了快速發展，據統計開關電源尤其是小功率開關電源的市場占有率呈現逐年提高的態勢，這主要應歸功于開關電源特有的高效、節能、精密等其他電源無法比擬的優勢。

在小功率開關電源中有一個核心的設計和工藝難點就是其中應用最廣反激式變壓器，它的設計科學性和工藝合理性直接關系到整個電源的設計成敗。我就這方面結合自己多年的設計經驗談一下個人的體會。

反激式變壓器是反激開關電源的核心，它決定了反激變換器一系列的重要參數，如占空比、最大峰值電流。設計反激式變壓器，就是要讓反激式開關電源工作在一個合理的工作點上。這樣可以讓其的發熱盡量小，對器件的磨損也盡量小。

2小功率開關電源的變壓器設計要點

下面以一個企業常用的輸入85 ~265 V，輸出5 V，2 A 的電源，開關頻率是100 kHz的小功率開關電源為例加以說明，如圖1所示。

①首先，選定原邊感應電壓VOR，這個值就決定了電源的占空比。

當開關管開通的時候，有I=Vs*Ton/L，Vs為原邊輸入電壓；ton為開關開通時間；L為原邊電感量。

在開關管關斷的時候，有I=VOR* T off /L，VOR為原邊感應電壓，即放電電壓，T off為開關管關斷時間，L為電感量。

經過一個周期后，原邊電感電流的值會回到原來，因此VS*TON/L=VOR×TOFF/L，Ｄ來代替TON，用1-D來代替Ｔoff，移項可得：D=VOR/（VOR+VS），此即是最大占空比了。

則實例中D=80/（*80+90）=0.47。

②確定原邊電流波形的參數。峰值電流*KRP*D+峰值電流*（1-KRP）×D，所以有電流平均值等于上式，解出來峰值電流=電流平均值/（1-0.5KRP）×D。比如說我這個輸出是10 W，設定效率是0.8，則輸入的平均電流就是10/0.8×90=0.138 A，設定KRP的值是0.6，而最大值=0.138/（1-0.5 KRP）D=0.138/（1-0.5×0.6)×0.47=0.419A。

③設計變壓器準備工作。已知了開關頻率是100 kHz則開關周期就是10 us，占空比是0.47，那么TON就是4.7 us。

④選定變壓器磁芯，這個可以根據相應的公式查表計算，此處簡略。

⑤計算變壓器的原邊匝數，原邊使用的經徑。

根據公式NP=VS*TON/SJ*B，這幾個參數分別是原邊匝數，最小輸入電壓，導通時間，磁芯的\\橫節面積和磁芯振幅，一般取B的值是0.1~0.2之間，取得越小，變壓器的鐵損就越小，但相應變壓器的體積會大些，NP=90×4.7us/32 mm2×0.15，得到88匝0.15是選取的了值，算出匝數。

再確定線徑，一般來說電流越大，線越熱，所以需要的導線就越粗，需要的線徑由有效值來確定，而不是平均值。已經算得了有效值，所以接下來要做的是選線，選用0.25的線就可以了，用0.25的線，其面積是0.049 mm2，電流是0.2 A，所以其電流密度是4.08，一般選定電流密度是4~10 A/ mm2。

⑥確定次級繞組的參數、圈數和線徑。原邊感應電壓就是一個放電電壓，原邊就是以這個電壓放電給副邊的，如圖1所示，因為副邊輸出電太為5 V，加上肖特基管的壓降，就有5.6 V，原邊以80 V的電壓放電，副邊以5.6 V的電壓放電，遵守變壓器匝數和電壓成正比的規律，所以副邊電壓=NS×（UO+UF）/VOR，其中UF為肖特基管壓降，副邊匝數等于88×5.6/80，為6.16，整取6匝，再算副邊的線徑。

⑦確定反饋繞組的參數。反饋是反激的電壓，其電壓是取自輸出級的，所以反饋電壓是穩定的，TOP的電源電壓是5.7~9 V，繞上7匝，那么其電壓大概是6V。

⑧確定電感量。根據I=VS*TON/L，I為峰值電流*KRP，所以L=VS*TON/峰值電流*KRP。

⑨驗證設計。即驗證一下最大磁感應強度是不是超過了磁芯的允許值，有BMAX=L*IP/SJ*NP，這個五個參數分別表示磁通最大值，原邊電感量，峰值電流，原邊匝數，這個公式是從電感量L的概念公式推過來的，因為L=磁鏈/流過電感線圈的電流，磁鏈等于磁通乘以其匝數，而磁通就是磁感應強度乘以其截面積，分別代入到上式，即當原邊線圈流過峰值電流時，此時磁芯達到最大磁感應強度，這個磁感應強度就用以上公式計算BMAX的值一般一要超過0.3T，若是好的磁芯，可以大一些，若是超過了這個值，就可以增加原邊匝數，或是換大的磁芯來調。

3結語

總的來說，高頻變壓器是一個比較復雜的東西，不是簡單知道理論就行，也不是完全憑經驗就可以，而是需要在一定的理論指導下不斷的實踐和經驗總結逐步提高自我認識的。

參考文獻：

[1] 電子變壓器專委會.電子變壓器手冊[M].沈陽:遼寧科技出 版社，1998.

[2] SJ/Z2921—88，開關電源變壓器計算方法[S].