90WPC电源变压器的设计354951200968780精读.doc

90W PC电源变压器的设计 电源参数 PC电源为4路输出，分别为+5V，+12V，+3.3V和-12V。电路图如下： 电路拓扑为单端正激。 +5V和+12V为交流叠加。+3.3V由+5V的绕组上引出，用磁放大器单独控制。-12V和+12V的输出滤波电感相耦合。构成近似的反激电路。 所以，变压器的直接输出只有+12V和+5V。电路参数如下： 电源开关频率fT：70kHz； 电源的负载关系如下图： 变压器输出功率为Po=90W。 输入电压范围 变压器的设计 磁芯材料的选择 公司所用的磁芯材料大部分为TDK的PC40磁芯材料，或者是与之性能相近的其他厂商的磁材。下面的设计以PC40为基础。 AP法确定磁芯的尺寸 由PC40的磁芯损耗曲线（下图），可以直到，当比损耗为100mW/cm3时，所对应的磁通摆幅Δ’B=0.15T。则实际的正激变换器的磁通摆幅是Δ’B的两倍，即ΔB=0.3T。 根据南航，赵修科的《开关电源中的磁性元件》一书中的AP值公式（如下图），可以计算： 其中Po=100W（为了留出余量，将90V增加至100W），ΔB=0.3T，fT=70kHz，K=0.014。 带入公式计算得AP=0.2374cm4。 根据TDK公司的E系列磁芯表，如下： 可知EER25.2-Z的磁芯 有效截面积Ae=44.8mm2， 窗口面积可以大约估计为F×(E-D)，就是2F×(F-D)/2。则Aw≈76.26mm2。 则此磁芯的AP=Ae×Aw≈3416.448mm4≈0.3416cm4。大于要求的0.2374的尺寸，而且有足够的余量。可以选择这个磁芯。 最后决定用EER25.5磁芯。 计算热阻Rth，确定不超过温升要求的损耗限制Plim 根据南航，赵修科《开关电源中的磁性元件》一书中的公式，如下： 并有Aw=0.7626cm4，可以算出EER25.5磁芯的热阻Rth≈47.2069℃/W。 假设允许温升为80℃，则允许损耗为 Plim=ΔT/Rth=80/47.2069=1.6947W。 分配铁损和铜损，第二次确定ΔB 将上面计算的1.6947W的总损耗分配，Pfe=Pcu=0.85W 则此时，磁芯的单位体积铁损的比损耗为：Pfe/V。 由规格书查得，EER25.5的有效体积为2160mm3，则 比损耗为850mW/2.16cm3=393.5185mW/cm3。 这时，从PC40比损耗曲线上查得Δ’B=220mT。 ΔB=2Δ’B=0.44T。PC40在100摄氏度时的饱和磁场密度Bs=0.39T。显的有点高。 从而重新分配铁损和铜损：Pfe=0.4W，Pcu=1.3W。 此时的比损耗为400mW/2.16cm3=185.1852mW/cm3。所对应的Δ’B=0.18T。如下图： 则ΔB=2Δ’B=0.36T，小于100℃时的饱和磁通密度Bs=0.39T。 确定+5V的匝数N5 根据《开关电源中的磁性元件》一书中的公式 其中，Uo=5.57V（5+0.57，0.57为次级肖特基STPS2045的导通压降）。 ΔB=0.36T，Ae=0.448cm2，fT=70K。带入公式可得：N5=4.9337匝。取整数为5匝。 所以，相对应的+12V输出应该是12匝。因为是交流叠加，从而+12V的输出线圈只需要绕7匝。 重新计算N5=5时所对应的ΔB 将数据带入到上述公式中去可以得到ΔB=0.3552T。与0.36T相差不大。所以，磁芯损耗基本不变，还为0.4W。 确定初级匝数N1 首先规定占空比D的最大值为20%。 则由正激变换器的输出/输入电压关系 可以得到 由输入电压范围可以知道，不管是倍压还是230V的直接输入，最低电压应该是180VAC（倍压时为90*2=180）。但是，倍压电路不会到达最高的2倍。而是在1.9倍左右，而且经过整流滤波后，输入的直流电压最高为交流的1.37倍（与输入滤波电容有关），1.37倍为实际测量值。所以，Uin最小值为90*1.9*1.37=234.37V。此时最大占空比为20%。 则将D=0.2，N5=5，Uin=234.37V，U’o=5.57V带入上公式有 N1=42.0592V。 取N1=42匝。 确定初级和次级直流和交流电流 由负载表假设以下的负载为最坏情况： 3.3V-6A；12V-3A；5V-8A；-12V-0.1A。 总输出功率为97W。总输出电流为17.1A。 因为+12V、3.3V和-12V，的电流总要流过+5V的线圈。所以，相当于+5V的线圈要流过17.1A的电流。 而且此时，电路出于CCM模式。变压器上的电流波形为梯形波。 根据《开关电源中的磁性元件》中的计算梯形波直流电流和交流电流的公式： 可以得到+5V线圈电流直流分量 可以得到+5V