1、12V_10A 单管正激变换器REV1By:YangshuaiDate:03/29/2013QQ:541638440S1 参数：Vinmin =170 V 2 240.416 V最低电压输入Vnor =220 V 2 311.127 V正常电压输入Vinmax =265 V 2 374.767 V最高电压输入Vo 12 V输出电压Io 10 A输出电流 %82预计整机效率fsw 68 KHz选择开关频率r 0.6输出电感电流纹波比Po =Vo Io 120 W输出功率Pin =Po 146.341 W输入功率fline 50 Hz AC线频率Dmax 0.465选择的最大占空比Vripp =%
2、1 Vo 0.12 V输出纹波电压比Rload =VoIo 1.2 满载负载电阻Vd 0.9 V二极管压降S2：输入电容和整流桥选择Cbulk 120 F输入铝电解电容的值Vdc =Pin ( 1 0.25)Vinmin 2 fline Cbulk 38.044 V计算输入电容的电压谷值，用于计算变压器的最低输入电压。Vmin =Vinmin Vdc 202.373 VIavg =Pin 3Vmin 0.6 3.616 A考虑0.6PF和3倍电流余量，应该用4A整流桥Pbr =2.2 V PinVmin 1.591 W设整流桥发热压降为2.2V，计算整流桥耗损的功率。R =Pbr 10 15.
3、909 W 2瓦的热阻，产生17的温升。S3 求匝比，在输入最低电压计算：次级Buck电感在最大占空比时可接受的最大输入电压值。Vins =+Vo VdDmax 27.742 V=Vmin 202.373 V根据这个电压值值推算出在最低电压的匝比。N =Vins Vmin 0.167n =1N 5.982N =+Vo Vd Vmin Dmax 0.167采用另一种方法计算得到匝比。Dmin =Vo Vinmax N 0.234根据匝比推算最高输入时的占空比S4 求输出电容和电感量：输出电感的参数列表：=Vo 12 V =Io 10 A =r 0.6 =fsw 6.8 104 1sBcuk要在最
4、高输入电压下设计电感：Vonmax =Vinmax N 62.652 V根据匝比和最大输入电压，计算次级电感的最大输入电压。Von =Vmin 202.373 VIl =Io 10 A根据负载电流和纹波电流比值，得到电感的峰值电流。Ipk =+1 r2Il 13 AD =Dmax 0.465列出预计最大占空比和在最大输入电压时的最低占空比的对比。Dide =+Vo VdVonmax 0.206得出电感量：Lo =Vonmax Dfsw r Il 71.404 HIlrsm =Io+1 r212 10.149 AId1 =IoD +1 r212 6.921 A正向二极管电流Id2 =Io +1
5、r2 13 A续流二极管电流I =Vonmax Dminfsw Lo 3.014 A电感纹波电流：resr =VrippI 0.04 根据纹波电压得到ESR值要小于：Resr 0.003 fc 5 KHz i 9 A选择在5khz的穿越频率下，电容可以选到比较小，但是还要满足ESR的要求，预估输出电容的值。Cout =i2 fc 0.25 V 1.146 103 FCoo =12 fc Resr 1.061 104 F Co 3000 FIppk =Ipk N ( +1 %10 ) 2.391 A建议初级有10%的励磁电流Rsen =1 VIppk 1.2 0.349 可以用0.33Rsen电
6、阻.Iprsm =Ilrsm N 1.697 APrsen =Iprsm2 Rsen 1.003 WS5 反馈计算：=Vo 12 V =Io 10 A =Lo 71.404 H =N 0.167Rupper =12 V 2.5 V475 A 20 k上桥电阻值Rlow =2.5 V475 A 5.263 103 下桥电阻值功率级开环仿真结果，在预计穿越频率5Khz处-19db,相位移-36.得出如下计算：pm 50相位余量pfc 36相位移gfc 19.5在穿越频率下的衰减dB=fc 5 103 1s穿越频率g =10gfc209.441需要提升的增益倍数boost =pm (pfc) 90
7、4需要提升的相位度k =tan+boost2 deg 45 deg0.933得出K参数fzero =fck 5.362 103 1s计算零点的频率位置计算极点的频率位置fpole =k fc 4.663 103 1sRpullup 20 K IC为光耦上拉电阻值CTR %100 PC817的放大倍数Rled =CTR Rpullupg 2.119 103 得出光耦的限流电阻值Czero =1( 2 fzero Rupper) 1.484 nF得出零点值得出极点值Cpole =12 fpole Rpullup 1.707 nFS6 正激变压器设计由于初级采用了10%的励磁电流，所以可以计算出初级
8、电感量的大概水平：在绕制变压器的时候，如果电感量低于这个值，就可以稍微减少气隙。正激变压器不加气隙，也是可行的，因为磁芯不可能100%的贴合在一起，因此比如存在气隙。Lm =Von0.1 IppkDmaxfsw5.789 mHAP&KG法选择磁芯：1 计算变压器输出功率Poo =( +Vo Vd) Io 129 W=Pin 146.341 W2 计算电状态系数Ke =0.145 fswHz 20.22 104 2.682 1033 计算几何常数：Kg =PinW Dmax0.4 Ke 1 cm5 0.063 cm54 AP法选择磁芯：AP Pin Ku J dB fsw Dmax先运用AP法选
9、择磁芯，后期跟进是否能绕制或成本进行迭代计算。=Dmax 0.465Ku 0.3正激要隔离，所以窗口利用率要选的小一点。J 530 Acm2自然冷却的电流密度=fsw 6.8 104 1sB 0.22 T可允许的磁通变化量Ap =(Pin) Ku J B Dmax fsw 1.323 cm4得出AP值。根据AP法选择到PQ3220：4 磁芯选择PQ3220：Ae 170 mm2磁芯横截面积Acw 80.8 mm2磁芯窗口面积Le 55.5 mm磁路长度MLT 6.6 cm绕线长度AL 7 HN2电感量系数Ve 9420 mm2磁芯体积Wtfe 42磁芯质量（克）Bmax 0.22 T可允许的最
10、大磁通密度i 2200磁芯磁导率=N 0.167初级/次级匝比App =Ae Acw 1.374 cm4 AP值5 计算初级匝数Npp =Von Dmaxfsw Ae Bmax 37.002变压器在最低输入电压设计!Nppp =Vinmax Dmaxfsw Ae Bmax 68.523Nss =N Npp 6.186 SET 6得出次级匝数Nppp =6N 35.891 SET36Np 36 Ns 6 =Lm 5.789 mHB =Von DmaxNp Ae fsw 0.226 T根据匝数核算最大磁通密度Lmide1 =7 H Np2 ( 1 0.25) 6.804 mH无任何气息的电感量Lm
11、ide1 =7 H Np2 9.072 mH5 计算辅助电压：Vaux 16.5 Vnaux =VauxVon 0.082根据辅助绕组和初级的比例得出辅助线圈的匝数。Naaux =naux Np 2.935 SET3Vccide =Von 3Np 16.864 V=Np 36 =Ns 6 Naux 3 =N 0.1676 验算占空比:Dmax =+Vo VdVon N 0.381Dnor =+Vo VdVnor N 0.248Dminn =+Vo VdVinmax N 0.2067 考虑线径(考虑趋肤深度) =6.62 cmfswHz0.025 cm从Ke值推导理想电流密度：Jidea =2
12、Pin Dmaxfsw Ae B Acw 0.3 293.169 Acm2理论与实际还是有区别的，实际中用500比较合适。J 450 Acm2Dcu =2 0.508 mmDcu 0.4 mm根据开关频率和集肤深度应该选择0.5mm的铜线。Acu = Dcu24 0.126 mm2Dcu1 0.7 mmAcu1 = Dcu124 0.385 mm28 计算初级导线面积：Ip =PinVon Dmax1.171 A计算初级有效电流值，选择线径。Apw =IpJ 0.003 cm2计算所需要的初级导线股数来满足这个电流面积如果选择用0.5的线，需要1.3股，如果用0.4的线，用2两股并绕就可以。因
13、此选择0.4的线。Snp =ApwAcu 2.071计算初级的电阻：Acu =1687 106 2 8.435 104 Rp =MLTcm Np Acu 0.2 计算初级的铜损：Ppcu =Ip2 Rp 0.275 W9 :计算次级导线面积Is =Io27.071 AJs =J 450 Acm2Asw =IsJs 0.016 cm2经计算应该选择4股0.7mm铜线并绕。Sns =AswAcu1 4.083计算次级导线的电阻（Dcu=0.7）：Acus =530 106 4 1.325 104 Rs =MLTcm Ns Acus 0.005 计算次级级的铜损：Pscu =Is2 Rs 0.262
14、 W计算初级和次级一起的铜损：Pcu =+Pscu Ppcu 0.537 W计算磁芯损失：磁芯损耗的公式表明：铁损是磁通和开关频率的函数。在设计中应该追求铜损和铁损一致。mWg 0.000318 fswHz 1.51 BT2.747Fe =0.000318 fswHz1.51B2T2.74714.663Pfe =Fe (Wtfe) 103 1 W 0.616 W得到总耗损：Ptan =+Pfe Pcu 1.153 W1o :计算表面上耗散密度，估计温升：=Ve 94.2 cm2K =PtanW94.2 0.012Tr =450 K0.826 11.85变压器信息：=Lm 5.789 103 H
15、=Np 36 0.5mm*2=Ns 6 0.7mm*3=Naux 3 0.28mm*4Acccc =+Np Acu 1.2 2 Ns 4 Acu1 1.2 Naux Acu 1.2 2 22.846 mm2=Acw 0.808 cm2Lpp =Np2 6 1 H 7.776 mHKU =AccccAcw 0.283低于0.3能正常绕进磁芯。S7 输出电感计算：在电感器设计中，一般不太会考虑集肤效应，用一个比较好绕的导线一次绕下。另外采用的粉末磁芯来做电感器的设计：输出扼流圈的属性：=Ilrsm 10.149 A=Ipk 13 A=fsw 6.8 104 1sBm 0.5 T=J 450 Acm
16、2=Lo 71.404 H=Vinmax N 62.652 V磁芯选择：1 AP法选择磁芯：Ap =( ( +Vo Vd) Io)0.4 J Bm Dmax fsw 0.553 cm4选择磁芯：77894外径26mmOD 2.7 cm外径ID 1.5 cm内径HT 1.12 cm厚度Mpl 6.3 cm磁路长度Mlt 3.8 cm平均单匝长度Aee 0.674 cm2横截面积Aww 1.55 cm2窗口面积Al 78电感系数i 60磁导率Ap =Aee Aww 1.045 cm42 根据磁芯得到匝数：Nss =1000LomHAl 30.256 Nss 30考虑在直流磁场偏置下电感量下降数：H
17、dc =0.4 Nss IlMpl 59.84 Acm已知在65A/CM的直流磁场力作用下60材料，磁导率下降55%。修正磁导率，在满载12A时，需要达到标称电感量：Nonew =1000LomHAl %55 40.798 SET 40验证40T在空载时的电感量：NO 40Lnoload =NO2 78 H1000 124.8 H选择线径：Dcu3 1 mmAcu3 = Dcu324 0.785 mm2Awb =IlrsmJs 0.023 cm2Sn =AwbAcu3 2.872 2股1mm并绕计算绕线电阻：Acuss =330 106 2 1.65 104 Rss =NO Acuss 0.0
18、07 计算电感铜损：Plcu =Rss Ilrsm2 0.68 W电感铁损：mWg 0.551 102 fswHz1.23 BdcT2.12磁芯损耗的公式表明：铁损是磁通和开关频率的函数。在设计中应该追求铜损和铁损一致。Fe =0.551 102 fswHz1.23 0.222.1236.74Pfe =Fe (38) 103 1 W 1.396 W得到总耗损：PLout =+Pfe Plcu 2.076 W1o :计算表面上耗散密度，估计温升：K =PtanW24.2 0.048 Tr =450 K0.826 36.414Chose 77058磁导率60 AL78 外径27 宽度12mmD 1
19、mm*2 40T=Lnoload 124.8 H Lfuload =Lo 71.404 HS8 半导体计算MOS和DIDOE：因为在单正激场合，MOS电压最高为输入电压，考虑一定的余量，可以用800VMOSFET。选择一款800V的MOSFET FDD8N80Bvdss 800 V最高耐压Rdson 1.534 AT 100 Qg 45 nC栅极总电荷Qgd 14 nC栅极-漏极电荷1 导通耗损计算：Pcond =Ip2 Rdson 2.104 W2 开关交叉耗损Idrv_pk 0.3 At1 =QgdIdrv_pk 46.667 nsPswon =Ip Vinmax t112 fsw 0.1
20、16 Wt2 =QgdIdrv_pk 46.667 nsPswoff =Ip Vinmax t26 fsw 0.232 W总耗损：Psw =+Pcond Pswon Pswoff 2.452 W输出二极管耗损：PIV =+N Vinmax Vo 74.652 V 100V的肖特基二极管=Io 10 A在bulk续流二极管电流为Io电流，为了保证一定的余量，需要采用30A的二极管。=Ipk 13 A耗损计算：导通期间，最恶劣的情况在于低于输入时，占空比最大时。PconFW =Io Vd Dmax 3.432 W关闭时，为输入电压最高时。占空比最小。PconOFF =Io Vd ( 1 Dmin)
21、 6.898 W输出二极管的耗损主要是正向压降的提高，一些半导体提高了正向电压的温度曲线，就可以看出一些关于二极管耗损在高温下的耗损点。半导体总耗损：Psw =+Psw PconFW PconOFF 12.781 W磁元件总耗损：PFE =+Ptan PLout 3.229 W复位二极管：复位二极管连接到复位绕组，其反压为VIMAX,电流相对较弱，可以使用MUR260的快速二极管。S 14驱动变压器设计EF20:Mosfer Vdrv=15V 匝比：1:1:1Vd 16 VAe20 33.50 mm2 Acw20 30.24 mm2 Le20 44.5 mmAl 1.570 H =fsw 6.
22、8 104 1s =Bm 0.5 TNdrv =Vd Dmaxfsw Bm Ae20 5.356 Ndrv 35Bmtt =Vd Dmaxfsw Ndrv Ae20 0.077 TLdrv =Ndrv2 Al 1.923 mHEF20 骨架磁芯两股0.4线漆包线+一股0.5三层绝缘性并绕。或者两股次级夹一个初级，全部采用0.4线。设法达到所需要的电感量：采用铁氧体作为输出电感的设计：=Io 10 A =Ipk 13 A =fsw 6.8 104 1s =Po 120 W=Lo 71.404 H Irsm =Io 10 A Dm 0.45=Vins 27.742 V =Von N 33.832
23、VVsmax =Vinmax N 62.652 V Bm 0.3 T=J 450 A Ku 0.4J 450cm2Ku 0.4S1 从AP法选择磁芯范围：Wl =12 Ipk2 Lo 0.006 JApp =2 WlBm J Ku 2.235 cm4AP值选择到PQ2625：磁芯选择PQ2625：Ae 118 mm2 AL 7 HN2MLT 6.6 cmAcw 84.8 mm2Wtfe 42Le 55.5 mmi 2200 Ve 9420 mm2单位：克App =Ae Acw 1.001 cm4计算满足输出电流需要的线径：=Irsm 10 A =J 4.5 106 Am2Awws =IrsmJ
24、 2.222 mm2从开关频率和集肤深度来选择可以使用的线径：=fsw 6.8 104 1sDcu3 0.5 mmAcu3 = Dcu324 0.196 mm2Nss =AwwsAcu3 11.318计算满足电感量需要的匝数：Nl =Von Dfsw Ae Bm 39.092验算匝数和铜线能否绕进去磁芯：Awss =( 1.2 Acu3) Nss NlAe 0.883经过计算线圈可以绕进磁芯，但是需要计算所需要的气隙长度：Lgg =0.4 122 Aecm2 108LoH1 cm 0.299 mm计算铜线的损耗：计算绕线电阻：Acusss =1030 106 12 8.583 105 Rsss
25、 =NO Acuss 0.007 计算电感铜损：Pllcu =Rsss Irsm2 0.66 W电感铁损：计算磁芯损失：mWg 0.000318 fswHz1.51 BT2.747Baacc =0.4 Nl I2 A 1040.06 0.123Fe =0.000318 fswHz1.51(Baacc)2.747 20.1Pfee =Fe (Wtfe) 103 1 W 0.844 WPccoong =+Pfee Pllcu 1.504 WBpkk =0.4 Nl IpkA 1040.06 1.064120W-12V/10A PC40 PQ2620的铁氧体磁芯电感器=Lo 7.14 105 HLggg 0.6 mm=Irsm 10 A=Ipk 13 A=Nl 39.092=Dcu3 0.5 mm 10跟0.5的铜线并绕12T
