一种变压器的设计方法

电源

今天讲下变压器的设计方法！变压器的设计方法有多种，个人感觉适合自己的才是最好的，选择一个自己最熟悉的，能够理解的才是最好的！
我先介绍下一种设计方法：
1.先确定输入电压。
一般是按照最低输入直流电压计算VINmin计算
a.要是直流输入按直流的最低输入来计算；
b.要是输入为交流电，一般对于单相交流整流用电容滤波，直流电压不会超过交流输入电压有效值的1.4倍，也不低于1.2倍。
例如，全范围交流输入85-265VAC的电源，一般按85VAC时计算，那VINmin=85*1.2=102V，一般会取整数按100VDC计算。
2.确定导通时间ton。
导通时间ton=T*D，T为周期 T=1/f，D为最大占空比，一般在最低输入电压的时候，D会最大，保证输出稳定。注意大的占空比可以降低初级的电流有效值，和MOS的导通损耗，但是根据伏秒法则，初级占空比大了，次级的肯定会小，那么次级的峰值电流会变大，电流有效值变大，会导致输出纹波变大！所以，一般单端反激拓扑的占空比选取不要超过0.5。而且一般的电流控制模式，占空比大于0.5要加斜率补偿的，对调试是个难度。还有一重要的是你的占空比决定你的匝比，匝比决定啥，嘿嘿，反射电压VF，忘了再去上边看下，再加上你漏感引起的尖峰，最终影响你MOS的耐压。占空比越小匝比越小，反射电压VF越低，MOS的电压应力小。反之MOS的电压应力大，所以占空比要考虑好了。要保证再最高电压下你的VDS电压在MOS的规定电压以下，最好是降额使用，流出足够的余量来！例如，电源的开关频率为100K，最低输入时的最大占空比为0.4，那T=1/100000=10μS，那么ton=0.4*10μS=4μS。
3.确定磁芯的有效面积AE。
AE一般会在磁芯的资料中给出。
4.计算初级匝数NP。
NP=VINmin*ton/ΔB*AE，式中VINmin为直流最低输入电压；ton为导通时间，AE为磁芯的有效面积，ΔB为磁感应强度变化量，这个值和磁芯材质，及温升等有关，一般考经验来选取，在0.1-0.3之间，取得越大，余量越小，变压器在极端情况下越容易饱和！个人一般取0.2。
5.计算次级匝数NS。
NS=（Vo+Vd）*（1-D)*NP/VINmin*D
式中Vo为输出电压
Vd为二极管管压降
D为占空比
NP为初级匝数
VINmin为最低输入电压
6.确定次级整流二极管的应力VDR。
上边算出变压器的初级匝数NP和次级匝数NS后，就可以得出次级整流二极管的电压应力
VDR=（VINmax*NS/NP)+VOUT
式中VINmax为最大输入电压，要保证在最高输入电压下你的二极管的电压应力不超标。一般算出来的这个VDR还要考虑降额使用，所以二极管的耐压要高于这个VDR值。
一般还要在整流管上并一个RC吸收，从而降低二极管反向回复时间造成的电压尖峰！尤其是CCM模式的时候！
7.确定初级电感量LP。
确定电感量之前我们先看下上边的两个电流图

一种变压器的设计方法
对于上图是两种工作模式的初级电感电流波形，我加了两个参数Ip1和Ip2；Ip1对应最低输入电流，Ip2对应最高峰值电流，有上边这两个我们也就可以算出平均电流Iavg了，Iavg=（Ip1+Ip2）Dmax/2，式中Dmax为最大占空比，如果输出功率为Pout，电源效率为η，那么
Pout/η=VINmin*Iavg=VINmin*（Ip1+Ip2）Dmax/2，得出Ip1+Ip2=2Pout/VINmin*Dmax*η
然后就可以计算Ip1和Ip2的值了，对于DCM来说，电流是降到零的，所以Ip1为零；对于CCM来说Ip1和Ip2都是未知数，又出来个经验选择了，一般取Ip2=（2-3）Ip1，不能取得太小，太小了会有一个低电流斜率，虽然这样损耗小点，但容易使变压器产生磁饱和，也容易使系统产生震荡！个人一般取Ip2=3Ip1。计算出Ip1和Ip2后，这时候可以计算初级的电感量了，在ton内电流的变化量ΔI=Ip2-Ip1，根据（VINmin/LP）*ton=/ΔI，得出LP=VINmin*ton/ΔI，到此变压器的初级电感量计算完毕，变压器的参数也计算完毕！还有一种计算方法，就是按照上边的确定初级电感量的方法先确定电感量，然后来选择磁芯，选择磁芯的方法有很多种，一般最常用的是AP法。
这个公式是看资料上的，具体我也没推倒过。可以看看赵修科老师的那本《开关电源中的磁性元器件》。

一种变压器的设计方法
公式中L为初级电感量也就是LP，Isp为初级峰值电流Ip也就是ΔI，I1L为满载初级电流有效值，但我往往会把Isp和I1L看成是一个，都是初级的峰值电流，所以仁者见仁智者见智，大家可以到应用时具体的来微调！Bmax为磁感应强度变化量也就是ΔB.这个取值和上边一样，取得太大，磁芯小但容易饱和，而取得太小磁芯的体积又很大，所以一般折中取值！而且和频率关系也很大，要是频率很高，建议取小点，因为频率高了损耗也大，变压器大了有利于散热。个人经常取0.2！K1=Jmax*Ko*10-4，其中Jmax为最大电流密度俺一般取450A/平方厘米。但赵老师书里取得是420A/平方厘米。Ko为窗口面积，有的也叫窗口利用率吧，一般取0.2-0.4，具体要看绕线的结构了，比如加不加挡墙等因素，所以选取时要充分考虑，免得因取得变压器太小，结构要求苛刻而绕不下，导致项目失败！10-4是由米变厘米的系数
所以上式整理下可得AP=Aw*Ae=（LP*IP2*104/450*ΔB*Ko）4/3cm4，计算出了AP就可以找到合适的磁芯，然后找到Ae再根据式NP=LP*IP/ΔB*Ae。式中LP就是上边算得初级电感量。
IP为初级峰值电流，ΔB为磁感应强度变化量，AE为磁芯的有效面积，后边的次级匝数NS和次级整流二极管电压应力的确定就和上边的步骤5和6一样了！那这两种初级匝数NP的确定方法到底哪个对呢，可以告诉大家都对。根据电磁磁感应定律：
（VINmin/LP）*ton=IP
所以VINmin*ton=L*Ip，所以这两个从本质上式一样的。个人觉得第一个适合有经验的工程师，可以凭经验来选择变压器，然后来计算变压器参数而第二种适合初学者，先确定变压器再算变压器参数，免得因自己经验不足而走了弯路！
变压器说到这吧，以上是自己的个人意见，欢迎大家批评指正。其实设计出来的参数仅供参考，由于变压器的漏感，PCB的布局，走线等因素会在调试时做微调，最后做出一个最优的、可靠的产品！

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