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  • 本文主要介绍了反激变压器开关电源原理图,希望对你的学习有所帮助。
  • 本篇文章小编为读者总结归纳了单端反激式开关电源变压器设计的基本工作原理,希望对读者有所帮助。
  • 高频变压器工作频率超过中频(10kHz)的电源变压器,主要用于高频开关电源中作高频开关电源变压器,也有用于高频逆变电源和高频逆变焊机中作高频逆变电源变压器的。
  • 反激开关电源的工作原理

    千次阅读 2021-03-18 19:09:00
    首先,开关频率跟降压的实现没有关系,实现降压的原理就是反激电路的降压原理,每个周期的降压都是一样的,即便把频率加快也是一样的降压,但是频率快了,有什么意义呢?这就要说,*单个周期的降压过程中,时间越长...

    1,频率的问题:
    功率mos的开关频率在100KHZ左右,那么这个频率有什么意义呢?
    首先,开关频率跟降压的实现没有关系,实现降压的原理就是反激电路的降压原理,每个周期的降压都是一样的,即便把频率加快也是一样的降压,但是频率快了,有什么意义呢?这就要说,*单个周期的降压过程中,时间越长(占空比一定时),传递的能量越多,*那么对变压的要求,就越高,变压器要能储存释放那么多的能量,因此体积就会变大。另外,频率低,周期时间长,电流的纹波就越大,所以,将频率提高,减小单个周期转换的能量,来缩小变压器体积,减小纹波。但是功率MOS管开关时,MOS管,变压器等期间都会产生损耗,开关频率越大,损耗就越大,所以频率不能太高。变压器是有一个效率最高的频率的,工作在这个频率时,变压器效率最高。
    2,变压器实现降压的原理:
    变压器的能量是存储在磁芯上的磁能,这个磁能是初级电能转换过来的,一个周期中,转换进来的磁能要全部转换回电能释放到次级,这样才能一直循环这个步骤。(所以,在设计初次极的开关时要采用断续模式(DCM),以保证磁芯能量全部转换,否则磁芯的能量会积累,很快就损坏了 )采用断续模式不是因为能量完全转换,连续模式也同样是完全转换的,断续和连续是工作模式的不同,断续工作在小功率状态。大功率状态时,使用连续模式,其实,是因为小功率时,用连续模式会有问题,所以才不得不采用断续模式。
    变压器磁能和电能的转化有一个定律:伏秒守恒,即变压器绕组施加一个正向电压与施加时间的乘积必须等于所施加的反向电压与施加时间的乘积。(这是电感伏安关系U=L(di/dt)推到来的,同样由电容的伏安关系I=C(du/dt)也可以推导出安秒守恒:电容充电的电流与时间的乘积等于放电电流与时间的乘积)。
    基于此定律可以得到,降压与占空比有关(按上面的原理,电源只工作在连续模式就可以了,降压只与D有关。但是在上面的基础上,因为小功率工作状态下出现了另外一个问题,为了解决那个问题,必需采用断续工作模式,进而导致降压关系不光要与D有关,还受到了负载的影响)。初级电压高,施加时间短,次级电压低,施加时间长。
    当然,这个时间长短不是绝对时间,而是相对时间,即初级和次级的相对时间。初级侧,导通时间占周期的比值,占空比。
    这也说明,变压与频率无关。
    从上面的考虑来说,变压确实与频率无关,因为我们是采用脉宽调制技术来调压的,但是,我们的电源不是只工作在脉宽调制的模式下,还有频率调节模式。就是在低功率输出时,不需要太高的工作频率,那样太浪费了,然后就会切换使用频率调节模式,这时候,变压就与频率有关了
    但所谓的伏秒守恒,其实其本质是能量的守恒。其表现形式与电感的伏安特性:U=L(di/dt)有关;
    3,变压器的辅助绕组的工作原理:
    变压器辅助绕组,其实可以看作是另外一个次级绕组,在初级绕组导通时,其和次级绕组是一样的,不过辅助绕组的线圈比次级多,所以电压是30V左右。当初级绕组断开时,次级绕组也会像初级绕组一样,产生漏感的电压,所以辅助绕组的回路中既有次级绕组的整流电容,也有初级绕组的吸收回路。

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  • 反激变压器设计过程

    2021-01-20 09:25:23
    反激变压器的优点有: 1. 电路简单,能高效提供多路直流输出,因此适合多组输出要求。 2. 转换效率高,损失小。 3. 变压器匝数比值较小。 4. 输入电压在很大的范围内波动时,仍可有较稳定的输出。 设计步骤: 1、...

    电源参数

    图片

    根据功率、输入输出的情况,我们选择反激电源拓扑。

    反激式变压器的优点有:

    1. 电路简单,能高效提供多路直流输出,因此适合多组输出要求。

    2. 转换效率高,损失小。

    3. 变压器匝数比值较小。

    4. 输入电压在很大的范围内波动时,仍可有较稳定的输出。

    设计步骤:

    1、决定电源参数。

    2、计算电路参数。 

    3、选择磁芯材料。 

    4、选择磁芯的形状和尺寸。 

    5、计算变压器匝数、有效气隙电感系数及气隙长度。 

    6、选择绕组线圈线径。 

    7、计算变压器损耗和温升。

    原理图

    图片

    步骤一、确定电源参数:(有些参数为指标给定,有些参数从资料查得)

    图片

    注:电流比例因数:纹波比例,在重载和低收入情况下的纹波电流和实际电流的比例。

    步骤二、计算电路参数:

    最低直流输入电压:

    图片

    图片

     Z为损耗分配因数,如果Z=1.0表示所有损耗都在副边,如果Z=0表示所有的损耗都在原边,在这里取Z=0.5表示原副边都存在损耗。

    步骤三、选择磁芯材料:

            铁氧体材料具有电阻率高,高频损耗小的特点,且有多种材料和磁芯规格满足各要求,加之价格较其它材料低廉,是目前在开关电源中应用最为广泛的材料。同时也有饱和磁感应比较低,材质脆,不耐冲击,温度性能差的缺点。        

           采用的是用于开关电源变压器及传输高功率器件的MnZn功率铁氧体材料PC40,其初始磁导率为2300±25%,饱和磁通密度为510mT(25℃时)/390mT(100℃时),居里温度为215℃。

    选择磁芯材料为铁氧体,PC40。

    步骤四、选择磁芯的形状和尺寸:

    高频功率电子电路中离不开磁性材料。磁性材料主要用于电路中的 变压器、扼流圈(包括谐振电感器)中。

    图片

    变压器是整个电源供应器的重要核心,所以变压器的计算及验证是很重要的。

    磁性材料(Magnetic materials)有个磁饱和问题。如果磁路饱和,会导致变压器电量传递畸变,使得电感器电感量减小等。对于电源来说,有效电感量的减小,电源输出纹波将增加, 并且通过开关管的峰值电流将增加。这样可能使得开关管的工作 点超出安全工作区,从而造成开关管寿命的缩短或损坏。磁性材料的另一个问题就是居里点温度

    (Curie Temperature)。在这一温度下,材料的磁特性会发生急剧变化。特别是该材料会 从强磁物质变成顺磁性物质,即磁导率迅速减小几个数量级。实 际上,它几乎转变为和空气磁芯等效。一些铁淦氧(ferrites)的居里 点可以低到130oC左右。因此一定要注意磁性材料的工作温度。 

    简单的说就是两个问题: 

    1. 饱和——引起电感量减小

    2. 居里温度——磁导率减小

    所以选择变压器的时候,我们需要充分考虑两个问题:

    1、磁通量必须满足,避免饱和。

    2、温度不能太高。

    所以我们需要先计算变压器铁心磁饱和的磁通量的最大值B(max)

    决定变压器的材质及尺寸:

    依据变压器计算公式

    图片

    图片

    B(max)的计算结果,不要超过我们选型的铁心的额定值,并进行降额、并考虑外壳导致散热不良带来的影响,并留有余量。

    B(max)的算法有两种,

    面积相乘法(AP法)

    几何参数法(KG 法)

    推导过程比较复杂和繁琐,此处不进行展开。

    在这里用面积乘积公式粗选变压器的磁芯形状和尺寸。具体公式如下:

    图片

    反激变压器工作在第一象限,最高磁密应留有余度,故选取BMAX=0.3T,反激变压器的系数K1=0.0085(K1是反激变压器在自然冷却的情况下,电流密度取420A/cm2时的经验值。)

    磁芯型号:查EPC磁芯系列—EPC19,磁芯参数为:

    磁芯有效截面积:

    Ae=

    22.7

    mm2

    磁芯窗口面积:

    Aw=

    50

    mm2

    磁路长度:

    Le=

    0.461

    mm

    无气隙电感系数:

    Al=

    940

    nH/T2

    磁芯体积:

    Ve=

    0.9

    cm3

    骨架绕线宽度:

    Bw=

    11.9

    mm

    EPC磁芯主要为平面变压器设计的,具有中柱长,漏感小的特点。EPC19磁芯的AP值约为0.11cm4,稍大于计算所需的AP=0.09 cm4。若再选用小一号的磁芯EFD15,其AP值约为0.047 cm4,小于计算所需的AP=0.09 cm4,不符合要求,故选用EPC19磁芯。

    步骤五、计算变压器各绕组匝数、有效气隙电感系数及气隙长度:

    1、法拉第电磁感应定律

    电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通变化率成正比,若感应电动势用图片 表示,则

     图片 ,这就是法拉第电磁感应定律。

    若闭合电路为一个图片 匝的线圈,则又可表示为:

     图片 。式中,图片 为线圈匝数,

     图片 为磁通量变化量,单位图片 ,

     图片 为发生变化所用时间,单位为图片 ,

     图片 为产生的感应电动势,单位为图片 。

    电感欧姆定律方程:V=L*(dI/dt)

    所以推导得到电流型方程:

    图片

    N*A*B=L*I

    原边绕组匝数:

    图片

    当电感、电流、匝数、面积确定的情况下,磁饱和密度也就确定了。

    换句话说:我们为了达到一定的磁饱和密度,需要增加匝数来实现。

    当原边的匝数满足要求之后,我们通过匝数比关系,可以计算副边匝数要求。

    图片

    步骤六、选择绕组导线线径:

    满足磁通量的同时我们还需要考虑电流和空间的问题。

    决定变压器线径及线数:

    当变压器决定后,变压器的Bobbin(骨架)即可决定,依据Bobbin(骨架)的槽宽,可决定变压器的线径及线数,亦可计算出线径的电流密度,电流密度一般以6A/mm2为参考,电流密度对变压器的设计而言,只能当做参考值,最终应以温升记录为准。

    变压器有效的骨架宽度:

    图片

    LX为原边绕组层数,在这里采用4层。

    M为线圈每端需要的爬电距离,在这里取2mm。

    (爬电距离是沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间的最短路径。)

    骨架绕线宽度:Bw=11.9mm

    计算原边绕组导线允许的最大直径(漆包线):

    图片

    根据上述计算数据可采用裸线径DIA=0.23mm的漆包线绕置,其带漆皮外径为0.27mm,刚好4层可以绕下。

    根据所选线径计算原边绕组的电流密度:

    图片

    图片

    计算副边绕组导线允许的最大直径(漆包线):

    图片

    根据上述计算数据可采用裸线径DIASS=0.72mm的漆包线绕置,但由于在温度100℃、工作频率为60KHz时铜线的集肤深度:

    图片

    而0.72mm大于了2倍的集肤深度,使铜线的利用率降低,故采用两根0.35mm的漆包线并绕。

    图片

    自供电绕组线径:由于自供电绕组的电流非常小只有5mA,因此对线径要求并不是很严格,在这里主要考虑为便于与次级更好的耦合及机械强度,因此也采用裸线径为0.35mm的漆包线进行绕置,使其刚好一层绕下,减小与次级之间的漏感,保证短路时使自供电电压降低。

    步骤七、计算变压器损耗和温升

    变压器的损耗主要由线圈损耗及磁芯损耗两部分组成,下面分别计算:

    1)线圈损耗:

    图片

    为100℃铜的电阻率为2.3×10-6(·cm );为原边绕组的线圈长度,实测为360cm;A为原边0.23mm漆包线的截面积。

    图片

     d为原边漆包线直径0.23mm,s为导线中心距0.27mm,为集肤深度0.31mm。

    原边交流电阻与直流电阻比:由于原边采用包绕法,故原边绕组层数可按两层考虑,根据上式所求的Q值,查得。

    图片

    图片

    为100℃铜的电阻率为2.3×10-6(·cm );为副边绕组的线圈长度,实测为80cm;A为副边两根0.38mm漆包线的截面积。

    图片

     d为副边漆包线直径0.35mm,s为导线中心距0.41mm,图片为集肤深度0.31mm。

    副边交流电阻与直流电阻比:副边绕组层数为一层,根据上式所求的Q值,查得:

    图片

    2)磁芯损耗:

    图片

    Pcv为磁芯功率损耗,由峰值磁通密度摆幅、工作频率60KHz及工作温度100℃可在厂家手册上查出其损耗约为30mw/cm3。

      Ve为EPC19的体积0.105cm3。

    图片

    总结:通过上述计算可知,当环境温度为85℃时,变压器最高温度在96℃左右,符合磁芯的最佳工作温度。同时采用包绕法使得漏感仅为70uH(1KHz时)/15uH(100KHz时),小于3%,效果较理想。

    展开全文
  • 反激变压器的基本原理反激变压器的电气参数设计  反激变压器的一般设计方法  反激变压器的杂散参数设计与控制  反激变压器的损耗设计  反激电源的EMI设计 反激变压器与传统变压器有明显区别。 反激...

    反激变压器的设计-电子研习社-陈庆彬
    今天观看了电子研习社的直播,由陈庆彬博士主讲。2020年3月12日09:54:20

    主要内容如下:
     反激变压器的基本原理
     反激变压器的电气参数设计
     反激变压器的一般设计方法
     反激变压器的杂散参数设计与控制
     反激变压器的损耗设计
     反激电源的EMI设计

    反激变压器与传统变压器有明显区别。

    反激电源的工作原理这里简略提一下。视频里讲述了反激电源的工作原理-CCM模式。副边二极管截止的时候,原边相当于一个电感,分析起来很简单。当开关管断开的时候,变压器储存的能量经过副边放电(磁场能量不能突变,磁势平衡:IPKNP=ISKNS)。

    电压应力:开关管在断开的时候承担电压应力,不仅是输入电压,还要承担副边折算过来的电压(VDS VD=NP/NSVO+VI =(NP/NS)(VO/D))。二极管承受电压应力(VD=NS/NP*VI+VO)。

    下图是反激电源的三种工作模式。其中在DCM模式中,因为二极管截止之后,副边折算到原边的电压为0,造成MOS两端电压下降到输入电压。
    在这里插入图片描述

    反激变压器的设计过程。如下图所示:
    在这里插入图片描述

    为什么要有气隙,如果没气隙,当原边没有电流、副边没有电流的情况下直接就饱和了。

    变压器的匝比设计,如下图所示。首先确定最大占空比(一般可选0.45)限制,计算出匝比的最大值。
    .在这里插入图片描述

    电感量设计。电感量会影响峰值电流大小。确定参数电流纹波系数(纹波相对于输入电流的比例)。在DCM模式时,跟功率有关。

    反激变压器磁芯的磁通特点,如下图所示:满足两个条件,Bm不能太大,detB不能太大。
    在这里插入图片描述

    磁芯材料的选择。关注的是能量传输能力。如下图。f*B可以看做为磁材料性能因子。
    在这里插入图片描述

    变压器磁芯的设计,如下图所示。求得最小的Ae。然后要计算能够绕的下线。
    在这里插入图片描述

    绕组的匝数计算。如下图所示。跟detB有关。
    在这里插入图片描述

    气隙的计算,如下图所示。与电感量的大小有关。
    在这里插入图片描述

    绕组线规的设计。之前计算的是直流情况,在交流情况下要考虑集肤效应和邻近效应。
    后面还要进行磁芯窗口利用率验算和损耗验算、温升验算等。

    反激变压器的杂散参数。下图所示为等效模型图。将副边开路,测原边电感为漏感和励磁电感之和。将原边开路,测副边可以得到LSO。将副边短路,可以测量原边漏感。
    在这里插入图片描述

    气隙对电感量的影响。当气隙较小的时候与计算基本一致,但是当气隙较大的时候,有几种效应会影响计算:气隙扩散效应、绕组涡流去磁效应、窗口高度影响等。

    气隙对漏感本身值的大小影响不大。气隙影响漏感与励磁电感的比值,影响耦合系数,当气隙越大,励磁电感就会小,然后导致比值变化。

    绕组分布电容的测量,当频率高的时候,LC发生并联谐振,可以通过扫频测量阻抗的方式进行测量。如下图所示。会有一个并联寄生电容Cp。绕制方式不一样也会影响等效电容。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    变压器的分布参数效应,如下图所示。漏感上面有电流,当mos关断的时候需要续流,导致Vds尖峰。当开关管闭合的瞬间会导致电流尖峰噪声。
    在这里插入图片描述

    反激电路的损耗和EMI特性。如下图所示。损耗有绕组损耗和磁芯损耗,要寻找一个合适的点,对匝数进行优化设计。
    在这里插入图片描述

    变压器绕组损耗优化:绕组结构优化。如下图所示有3种结构。
    在这里插入图片描述

    电感器损耗:分布气隙、气隙避让、多股绞线。如下图所示。
    在这里插入图片描述

    EMI特性,变压器原副边有电容效应。原副边绕组的压差很大,导致有寄生电容存在,在开关的时候,这个寄生电容上有电流流动,造成共模噪声。如下图所示。
    在这里插入图片描述

    可以使用屏蔽层减小Cp。降低共模噪声。或者使原边和副边相互抵消。如下图的方法。
    在这里插入图片描述

    学到了很多东西,需要在实践中去进一步验证设计。

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  • 反激变换器的基本电路如下所示: 工作原理 当Q1导通时,所有的整流二极管都方向截止,输出电容给负载供电。 T1相当于一个纯电感,流过Np的电流线性上升,达到峰值Ip; 当Q1关断时,所有绕组电压反向,此反激电压...

    最近重新翻看了《开关电源设计》[美 Abraham I. Pressman, Keith Billings, Taylor Morey著 ],这本堪称二十几年来业界公认最权威的电源设计指导著作,每次都能在我对电源设计感到迷惑时给我最本质的知识传递!

    本篇要提到的是关于反激变压器设计时的一个认知问题——在设计“反激变压器”时,我们有一个思维定势,即设计者把其当成真正的变压器来设计!而实际上,反激变压器初次级电压并不相关,次级绕组电压只与负载有关!

    反激变换器的基本电路如下图所示:

    工作原理

    当Q1导通时,所有的整流二极管都方向截止,输出电容给负载供电。

    T1相当于一个纯电感,流过Np的电流线性上升,达到峰值Ip;

    当Q1关断时,所有绕组电压反向,此反激电压使输出二极管进入导通状态,同时初级存储能量传送到次级,提供负载电流,同时给输出电容充电(若次级电流在下一个周期开始前下降到零,则电路工作于断续模式)

    变压器特性

    对于变压器,初级绕组上施加一定的电压,次级绕组上就可以得到相应的电压,电压比率与匝比相同,与输出电流无关,其中一个很重要的特性就是初级与次级同时导通,集电流从初级绕组的正极性流进,则同时从次级绕组的正极性流出。

    “反激变压器”其实是电感

    对于反激变换器,开关管导通期间,电流流进变压器的初级绕组,而此时次级二极管不导通,故次级无电流流过,当开关管关断时,初级电流停止,所有绕组电压反向,使得输出二极管导通并流过电流。

    在导通与关断的过程中,反激变换器的初次级绕组在不同的时刻导通并流过电流对于这种不止一个绕组的电感,其工作原理是:初级与次级安匝比守恒(而不是像真正的变压器一样,电压比守恒)

    例如,初级绕组100匝,开关管Q1关断时的峰值电流为1A,存储在初级的安匝数为100安匝,这个数值必须等于次级的安匝数,若次级绕组为10匝,则电流应为10A,同样,1匝的次级绕组将会有100A的峰值电流,1000匝则对应于0.1A的峰值电流。

    也正因为如此,反激变换器的初次级绕组电压并不相关,次级绕组电压只与负载有关,假如该输出10A电流的次级绕组与100Ω的负载相连,则可以在次级得到不可思议的1000V电压,这也是反激变换器在高压应用场所得到普遍应用的原因,这同时也说明了次级不得开路,否则会导致半导体器件损坏。当次级几个绕组同时导通时,则所有的次级绕组的安匝数之和与初级安匝数守恒。

    因此,反激变压器的设计中,记住你不是在设计一个变压器,而是有着多绕组的扼流圈!

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  • 反激变压器安匝比

    2019-09-29 16:39:17
    工作原理如下:当Q1导通时,所有的整流二极管都方向截止,输出电容给负载供电。T1相当于一个纯电感,流过Np的电流线性上升,达到峰值Ip。当Q1关断时,所有绕组电压反向,此反激电压使输出二极管...
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    因此反激型电路中的变压器工作中总是经历着储能一放电的过程。 电流工作在连续模式CCM 它与正激电路不同的地方是开关管关断时将能量传送给负载(反激),变压器磁通仅在单方向变化(单端),他没有磁复位电路...
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  • 反激式开关电源36W,纹波20MV AD设计硬件原理图PCB+集成封装库文件,2层板设计,大小为93x50mm,Altium Designer 设计的工程文件,包括完整的原理图及PCB文件,可以用Altium(AD)软件打开或修改,可作为你产品设计的...
  • 单端反激式功率变换器开关稳压电源并非是只能由...典型的单端反激变换式开关稳压电源的原理图如图所示。所谓单端,即指转换电路的磁心仅工作在其磁滞回线的一侧。所谓反激,系指当晶体管导通时,在初级电感线圈中储存能
  • 摘 要: 介绍一种适合于较高电压输入的双管反激变换器的拓扑,分析其工作原理,介绍峰值电流控制模式的特点并给出变压器主要参数设计步骤。给出了设计并调试成功的一台约 60W 三相输入、八路隔离输出的直流开关电源...
  • 反激变压器设计原理 一节. 概述. 反激式(Flyback)转换器又称单端反激式或"Buck-Boost"转换器.因其输出端在原边绕组断开电源时获得能量故而得名.离线型反激式转换器原理图如图. 一、反激式转换器的优点有: 1. 电路...
  • 24V开关电源的工作原理是: 1.交流电源输入经整流滤波成直流; 2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上; 3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载; 4.输出...
  • 基于UCC28610的QR反激准谐振开关电源设计pdf,基于UCC28610的QR反激准谐振开关电源设计
  • 开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止。
  • 详细介绍了反激准谐振原理和控制实现

空空如也

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反激变压器工作原理图