开关电源变压器参数设计步骤详解

步骤1确定开关电源的基本参数

1234567交流输入电压最小值umin交流输入电压最大值umax电网频率Fl开关频率f输出电压VO（V）：已知输出功率PO（W）：已知电源效率η：一般取80％

损耗分配系数Z：Z表示次级损耗与总损耗的比值，Z=0表示全部损耗发生在初级，Z=1表示发生在次级。一般取Z=0.5

步骤2根据输出要求，选择反馈电路的类型以及反馈电压VFB步骤3根据u，PO值确定输入滤波电容CIN、直流输入电压最小值VImin123令整流桥的响应时间tc=3ms根据u，查处CIN值得到Vimin确定CIN,VImin值

u(V)固定输

已知

入:100/115

步骤4

通用输入:85~265

定VOR、

固定输入:230±35

已知

1

PO

≥240

已知

2~3

(2~3)×PO

≥90

VB根据u，确

2~3

(2~3)×PO

≥90

PO(W)

比例系数(μF/W)

CIN(μF)

VImin(V)

1根据u由表查出VOR、VB值

1Butbut2由VB值来选择TVS

u(V)

初级感应电压VOR(V)60135135

钳位二极管反向击穿电压VB(V)

90200200

根据Vimin和确定最大占空比

固定输入:100/115

步骤5VOR来Dmax

通用输入:85~265固定输入:230±35

VOR

Dmax= ×100％ VOR+VImin－VDS(ON) 12设定MOSFET的导通电压VDS(ON)应在u=umin时确定Dmax值，Dmax随u升高而减小

步骤6确定初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值KRP，KRP=IR/IPKRP

u(V)

固定输入:100/115通用输入:85~265固定输入:230±35

步骤7确定初级波形的参数

①输入电流的平均值IAVG PO 最小值(连续模式)最大值(不连续模式)

0.40.440.6

111

IAVG=

ηVImin

②初级峰值电流IP IAVG IP=

(1－0.5KRP)×Dmax

③初级脉动电流IR2Butbut④初级有效值电流IRMSIRMS=IP√Dmax×(KRP2/3－KRP+1) 步骤8根据电子数据表和所需IP值选择TOPSwitch芯片

①考虑电流热效应会使25℃下定义的极限电流降低10％，所选芯片的极限电流最小值

ILIMIT(min)应满足：0.9ILIMIT(min)≥IP步骤9和10计算芯片结温Tj

①按下式结算：

Tj＝[I2RMS×RDS(ON)+1/2×CXT×(VImax+VOR)2f]×Rθ＋25℃

式中CXT是漏极电路结点的等效电容，即高频变压器初级绕组分布电容②如果Tj＞100℃，应选功率较大的芯片步骤11验算IPIP=0.9ILIMIT(min)123输入新的KRP且从最小值开始迭代，直到KRP=1检查IP值是否符合要求迭代KRP=1或IP=0.9ILIMIT(min)步骤12计算高频变压器初级电感量LP，LP单位为μH

6

10PO Z(1－η)+ η

LP= × I2P×KRP(1－KRP/2)f η

步骤13选择变压器所使用的磁芯和骨架，查出以下参数：

1234磁芯有效横截面积Sj（cm2），即有效磁通面积。磁芯的有效磁路长度l（cm）

磁芯在不留间隙时与匝数相关的等效电感AL(μH/匝2)骨架宽带b（mm）

步骤14为初级层数d和次级绕组匝数Ns赋值

3Butbut1234开始时取d＝2（在整个迭代中使1≤d≤2）

取Ns=1(100V/115V交流输入)，或Ns=0.6(220V或宽范围交流输入)Ns=0.6×(VO+VF1)

在使用公式计算时可能需要迭代

步骤15计算初级绕组匝数Np和反馈绕组匝数NF123设定输出整流管正向压降VF1设定反馈电路整流管正向压降VF2计算NP VOR NP=NS× VO+VF1

4计算NF VFB+VF2 NF=NS× VO+VF1

步骤16~步骤22设定最大磁通密度BM、初级绕组电流密度J、磁芯的气隙宽度δ，进行迭代。

1设置安全边距M，在230V交流输入或宽范围输入时M=3mm，在110V/115V交流输入时M=1.5mm。使用三重绝缘线时M=0

2最大磁通密度BM=0.2～0.3T

100IPLP BM=

NPSJ

若BM＞0.3T，需增加磁芯的横截面积或增加初级匝数NP，使BM在0.2~0.3T范围之

内。如BM＜0.2T，就应选择尺寸较小的磁芯或减小NP值。

3磁芯气隙宽度δ≥0.051mm

δ＝40πSJ(NP2/1000LP－1/1000AL)

要求δ≥0.051mm，若小于此值，需增大磁芯尺寸或增加NP值。

4Butbut4初级绕组的电流密度J=(4~10)A/mm2J=

1980

1.27πD2PM×（1000 /25.4）2 4IRMS 若J＞10A/mm2，应选较粗的导线并配以较大尺寸的磁芯和骨架，使J＜10A/mm2。若J＜4A/mm2，宜选较细的导线和较小的磁芯骨架，使J＞4A/mm2；也可适当增加NP的匝数。

56确定初级绕组最小直径（裸线）DPm(mm)确定初级绕组最大外径（带绝缘层）DPM(mm)

⑦根据初级层数d、骨架宽带b和安全边距M计算有效骨架宽带be（mm）

be=d(b－2M)

然后计算初级导线外径（带绝缘层）DPM：DPM＝be/NP

步骤23确定次级参数ISP、ISRMS、IRI、DSM、DSm1次级峰值电流ISP(A)

ISP=IP×(NP/NS)

②次级有效值电流ISRMS(A)

ISRMS=ISP×√（1－Dmax）×（K2RP/3－KRP+1） ③输出滤波电容上的纹波电流IRI(A)

IRI=√I2SRMS－I2O

5次级导线最小直径（裸线）DSm(mm)

DSm=1.13√ISRMS/J 6次级导线最大外径（带绝缘层）DSM(mm)

b－2M DSM=

NS 5Butbut步骤24确定V(BR)S、V(BR)FB1次级整流管最大反向峰值电压V(BR)SV(BR)S＝VO+VImax×NS/NP2反馈级整流管最大反向峰值电压V(BR)FBV(BR)FB＝VFB+VImax×NF/NP步骤25选择钳位二极管和阻塞二极管步骤26选择输出整流管

步骤27利用步骤23得到的IRI,选择输出滤波电容COUT123滤波电容COUT在105℃、100KHZ时的纹波电流应≥IRI要选择等效串连电阻r0很低的电解电容

为减少大电流输出时的纹波电流IRI，可将几只滤波电容并联使用，以降低电容的r0值和等效电感L0

4COUT的容量与最大输出电流IOM有关

步骤28～29当输出端的纹波电压超过规定值时，应再增加一级LC滤波器

1滤波电感L=2.2~4.7μH。当IOM＜1A时可采用非晶合金磁性材料制成的磁珠；大电流时应选用磁环绕制成的扼流圈。

23为减小L上的压降，宜选较大的滤波电感或增大线径。通常L=3.3μH滤波电容C取120μF/35V，要求r0很小

步骤30选择反馈电路中的整流管步骤31选择反馈滤波电容

反馈滤波电容应取0.1μF/50V陶瓷电容器

步骤32选择控制端电容及串连电阻

控制端电容一般取47μF/10V，采用普通电解电容即可。与之相串连的电阻可选

6Butbut6.2Ω、1/4W，在不连续模式下可省掉此电阻。

步骤33选定反馈电路步骤34选择输入整流桥

①整流桥的反向击穿电压VBR≥1.25√2

3umax设输入有效值电流为IRMS，整流桥额定有效值电流为IBR,使IBR≥2IRMS。计算IRMS公式如下：

PO IRMS=

ηumincosθ

cosθ为开关电源功率因数，一般为0.5～0.7，可取cosθ＝0.5

步骤35设计完毕

在所有的相关参数中，只有3个参数需要在设计过程中进行检查并核对是否在允许的范围之内。它们是最大磁通密度BM（要求BM=0.2T~0.3T）、磁芯的气隙宽度δ（要求δ≥0.051mm）、初级电流密度J（规定J=4～10A/mm2）。这3个参数在设计的每一步都要检查，确保其在允许的范围之内。

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