开关电源中变压器的设计

1、开关电源中变压器的设计开关电源为电子设备提供稳定的功率输出，它的性能好坏直接决定了电子产 品的质量，而这种电源性能乂与变压器设计优劣密切相关。可以说变压器在开关 电源中占据着关键作用，决定着电路的关键技术参数指标及工作状态，因此对于 大多数电源而言，电源的设计归根结底就是变压器的设计。开关电源属于一种高 频供电系统，频率高必然使变压器体积降低，传递的能量密度升高，温升变大; 同时在高频环境下，变压器绕线中的寄生电容很容易与电路中的电感发生谐振, 产生噪音，恶化电源的电磁兼容性能。但是在磁性元件没有重大的技术突破之前, 这些问题始终会存在，因此我们只能通过其它的方式来对变压器进行优化，从而 提高

2、开关电源的整体性能。1开关电源变压器的设计步骤变压器是开关电源的核心，它直接决定了一个电源的技术指标，因此变压器 的设计至关重要。本文以反激式开关电源为例对变压器进行分析。在设计一个开关变压器之前，要通过理论分析计算出原副边匝数、反馈绕组 匝数、原边电感量、磁芯的Ap值、绕组线径大小，要注意的是计算出来的数据 仅仅是参考，不能脱离实际。当这些关键参数都被大致确定后，就可以进行变压 器的实际设计了。本论文就第4. 3章节中的基于SE8510的LED电源进行变压器 设计，通过计算得出原边匝数为54,原边绕组线径为0.5mm,副边匝数为50, 副边线圈线径为0.4mm,原边电感量为0. 58mH磁芯

3、Ap值为0. 2593cm4, 1.1.磁芯选择开关变压器的磁芯体积大小与功率成正比，因此功率越大变压器体积越大。 在用Ap法选择磁芯时要同时兼顾电路的工作频率、PCB的布线形状、环境温度 和允许的温升等应用情况，AP法公式如下：(1. 1)，LpX(lSak)2xl()4、450 x0.3xBgU13X根据公式(1.1)计算出Ap值为0. 2593cm4,查表选择EFD25磁芯，EFD25 的Ap值为0.3938cm,这样可以保证一定的裕量，降低电路损耗。1.2骨架线圈绕制磁芯选择好以后，根据相应的骨架幅宽及绕组线径大小确定合适的匝数，遵 循的原则就是让每一层的绕线占满整个幅宽，如图6. 1

4、为变压器骨架侧视图。如 果实在无法绕满的话，则多的那儿圈初级绕组要密绕，次级绕组要均绕，密绕就 是漆包线一圈紧挨着一圈的绕制方式，均绕就是漆包线圈与圈之间留有均匀空隙的绕制方式，如图1.2所示。图1.1骨架幅宽定义Fig. 1.1 Skeleton width definedrrncrmcnmO O Q O。O密绕图1.2两种导线在骨架上的绕制方式Fig. 1.2 Two kuids of wire winding on the skeleton由于高频导线的集肤效应，规定初级线径不能超过0.4mm,如果超过就需要 用多跟导线并联。次级最好用三层绝缘线绕制，因为次级电流较大，导线发热严 重，使

5、用绝缘性能好的线可以有效降低损耗。辅助绕组电压电流都非常低，一般 使用0.15mm的导线就可满足要求。本次设计中初级线径为0.5mm,因此我采用 两根0. 25mm的导线并绕，次级选择0. 4mm的三层绝缘线，根据漆包线规格表查 出，0.25mm的导线实际线径为0.3mm, 0.4mm的三层绝缘线实际线径为0.6mm。 通过测量得EFD25骨架的幅宽为16. 5mm,则初级与次级绕制一圈的匝数为(1.2)(1.3)16.511mlN =0.3nmi 16.5imn “270.6inm故初级绕55匝，次级绕54匝，满足计算出的最小匝数要求。当线径与匝数都确定以后，就可以利用手动绕线机进行绕制了。

6、在绕制过程 中有两点需要注意：第一，根据电路实物图在骨架上找到相对应的引脚，A、B 点为变压器初级两端，对应变压器1、2脚，C、D点为变压器次级两端，对应9、 10脚，E、F点为变压器辅助绕组两端，对应3、4脚。第二，保证同名端处的绕 线方向一致，图6. 3中A、D、F互为同名端，那么线圈在骨架上的绕制顺序为1 -2、9-10、4-3。0110。0290038。04700560图1.3骨架俯视图及绕组相位图Fig. 1.3 Skeleton top view and winding phase diagram1.3磁芯中柱磨气隙反激式电源的磁芯需要进行中柱磨气隙，否则磁芯会很容易饱和，如图1.

7、4 所示。在开气隙时采用边磨气隙边测初级电感的方法，当初级电感量达到0. 58mH 时就证明气隙磨好了。由于气隙会使空气介入，相当于串入一个大磁阻介质，故 气隙越大，电感量越小，变压器能储存的能量越多。为了保证变压器的稳定工作， 气隙不能开太大，因为能量主要是存储在气隙里，气隙过大会使漏感增加，对 EMC和效率都有影响；气隙也不能开太小，气隙过小会导致变压器能够储存的能 量变少，当气隙无法容纳正常工作电感所产生的能量时，磁芯就会饱和从而损坏 变压器。根据公式:(1.4)(1.5) TOC o 1-5 h z E = L（1.6）dt由公式（6.4）、（6.5）、（6.6）化简得NxBxS =

8、LxI（1.7）在公式（6.7）中，左端数值都不变，公式右端电流I是瞬间增大的，因此 电感量L同时也会瞬间降低近似为0,电感产生的能量为E = -LI2（1.8）2式中L儿乎为0,所以电感无法储能，相当于一根导线，从而烧毁变压器。2变压器不同线圈绕法的实验波形及结论按照上一节变压器的设计方法，制作了 4种不同方案的变压器。然后将4 种变压器连接在完全一样的电路中，并且保证外部环境、输入输出环境的一致性。 最后用示波器测量初级与次级的波形。2. 1方案一该方案中变压器的线圈绕法为：从里到外分别是初级绕组、次级绕组、辅助 绕组、屏蔽绕组。屏蔽绕组 辅助绕组 次级绕州 初级绕组图2. 1方案一图2.

9、2方案一的初级波形与次级波形从图2. 2可以看出，方案一中变压器初级电压尖峰约为40V,次级电压尖峰 为约lOOVo2.2方案二该方案中变压器的线圈绕法为：从里到外分别是次级绕组、初级级绕组、辅 助绕组、屏蔽绕组。屏蔽绕组 辅助绕蛆 初级绕组 次级绕组图2. 3方案二图2.4方案二的初级波形与次级波形从图2. 4可以看出，方案二中变压器初级电压尖峰约为50V,次级电压尖峰 约为150Vo2.3方案三该方案中变压器的线圈绕法为：从里到外分别是次级绕组的一半、初级绕组、 次级绕组的另一半、辅助绕组、屏蔽绕组，即三明治绕法。屏蔽绕组辅助绕组次级绕组另一半初级绕组次级绕组的一半图2. 5方案三图2.

10、6方案三的初级波形与次级波形从图2. 6可以看出，方案三中变压器初级电压尖峰约为20V,次级电压尖峰 约为40V。2.4方案四该方案也采用的是三明治绕法：从里到外分别是初级级绕组的一半、次级绕 组、初级绕组的另一半、辅助绕组、屏蔽绕组。屏蔽绕组辅助绕组初级绕组另一半次级绕组初级绕组的一半图2. 7方案四图2.8方案四的初级波形与次级波形从图6. 12可以看出，方案四中变压器初级电压尖峰约为30V,次级电压尖 峰约为80V。2. 5实验结论初级电压尖峰(V)次级电压尖峰(V)方案一40100方案二50150方案三2040方案四3080方案三和方案四中变压器的初次级尖峰比较低，这样能有效地降低变压

11、器 漏感和损耗，减少温升，提高效率。对比方案三和方案四的波形，在三明治绕法中，方案三的方式较好。对比方案一和方案二的波形，在普通绕法中，方案一的方式较好。方案一和方案二中变压器的同级线圈少绕一层，这样会使分布电容变小, 增强变压器的电磁兼容性能。综上所述，三明治绕法的变压器漏感小、损耗低、温升少、效率高，但绕制 较麻烦；普通绕法的变压器EMC性能更好，且绕制较简单。所以为了提高电源的 稳定性与效率，则应该采用方案三。如果电源对电磁兼容性有严格要求，就应该 采用方案一。3 一种多路输出绕制方法该电源芯片有自动调光功能，可通过外接一个单片机电路来实现，所以为了使该电源在原有负载的基础上对单片机供电，研究出了一种创新方式来实现，即 在次级多增加一组输出绕组的方法。屏蔽绕组 辅助绕组 单片机的次级绕组 原有负载的次级绕组初级绕组图3. 1一种多路输出绕制方法根据电磁感应定理，输出电压只与线圈匝数成正比，那么有公式:Ui/U?=以/电(3.1)其中，U1和U2分别为初级电压和次级电压，N1和N2分别为初级匝数和次 级匝数，代入数据即可算出单片机的次级绕组匝数。按照下图所示绕制好变压器后，为了验证方案的准确性，用示波器测得两个 输出绕组的波形如图所示。图3. 2原有负载与单片机负载的输出波形从上图可以看出，两个波形的电压纹波均很小，且都