【導(dǎo)讀】小功率開關(guān)電源變壓器在近幾年的發(fā)展中，成為更符合民用的電源變壓器。本文就分享了一個小功率開關(guān)電源變壓器的設(shè)計與制作過程，以供大家參考借鑒。本文介紹的是一個民用的輸入85~265V、輸出5V，2A，開關(guān)頻率是100kHz的小功率開關(guān)電源。
電源變壓器的系統(tǒng)電路圖如下圖所示。
小功率開關(guān)電源變壓器系統(tǒng)電路圖
在了解了這種小功率的開關(guān)電源變壓器系統(tǒng)電路設(shè)置后，首先要做的就是選定原邊感應(yīng)電壓VOR，原邊感應(yīng)電壓值直接決定了電源的占空比。當(dāng)變壓器的開關(guān)管開通的時候，有公式I=Vs*Ton/L，其中參數(shù)Vs為原邊輸入電壓，參數(shù)ton為開關(guān)開通時間，L為原邊電感量。而在開關(guān)管關(guān)斷的時候，有公式I=VOR*Toff/L，其中參數(shù)VOR為原邊感應(yīng)電壓，即放電電壓，Toff為開關(guān)管關(guān)斷時間，L為電感量。經(jīng)過一個周期后，原邊電感電流的值會回到原來的數(shù)值，因此該公式變?yōu)椋篤S*TON/L=VOR×TOFF/L，D來代替TON，用1-D來代替Toff，移項可得D=VOR/（VOR+VS），此即是最大占空比了。則在該系統(tǒng)電路的實例中，該公式為D=80/（*80+90）=0.47。
接下來的工作，是確定這種開關(guān)電源變壓器的原邊電流波形的參數(shù)。原邊電流波形的計算也同樣是需要利用公式完成的，此時代入公式，即峰值電流*KRP*D+峰值電流*（1-KRP）×D，所以有電流平均值等于上式，解出來峰值電流=電流平均值/（1-0.5KRP）×D。比如說我這個輸出是10W，設(shè)定效率是0.8，則輸入的平均電流就是10/0.8×90=0.138A，設(shè)定KRP的值是0.6，而最大值=0.138/（1-0.5KRP）D=0.138/（1-0.5×0.6）×0.47=0.419A。在完成了原邊電流波形的計算之后，接下來就是設(shè)計變壓器準(zhǔn)備工作。已知了開關(guān)頻率是100kHz，則開關(guān)周期就是10us，占空比是0.47，那么TON就是4.7us。選定變壓器磁芯，這個可以根據(jù)相應(yīng)的公式查表計算，此處簡略。
在完成了開關(guān)電源變壓器的原邊感應(yīng)電壓和電流波形計算后，我們就要進入整個設(shè)計最關(guān)鍵的一步，也就是計算變壓器的原邊匝數(shù)。原邊使用的經(jīng)徑是可以利用公式計算出來的，該公式為NP=VS*TON/SJ*B，這幾個參數(shù)分別是原邊匝數(shù)、最小輸入電壓、導(dǎo)通時間、磁芯的橫節(jié)面積和磁芯振幅一般取B的值是0.1~0.2之間，取得越小變壓器的鐵損就越小，但相應(yīng)變壓器的體積會大些，NP=90×4.7us/32mm2×0.15，得到88匝0.15是選取的值，在計算出匝數(shù)之后再確定線徑，一般來說電流越大，線越熱。需要的線徑由有效值來確定，而不是平均值。已經(jīng)算得了有效值，所以接下來要做的是選線，選用0.25的線就可以了，用0.25的線，其面積是0.049mm2，電流是0.2A，所以其電流密度是4.08，一般選定電流密度是4~10A/mm2。
在確定了小功率的開關(guān)電源變壓器繞組匝數(shù)之后，接下來就需要依次來確定電壓變壓器的次級繞組參數(shù)、圈數(shù)和線徑。通常情況下，原邊感應(yīng)電壓就是一個放電電壓，原邊就是以這個電壓放電給副邊的，如上圖所示，因為副邊輸出電太為5V，加上肖特基管的壓降，就有5.6V，原邊以80V的電壓放電，副邊以5.6V的電壓放電，遵守變壓器匝數(shù)和電壓成正比的規(guī)律，所以副邊電壓的計算公式為NS×（UO+UF）/VOR，其中，參數(shù)UF為肖特基管壓降，副邊匝數(shù)等于88×5.6/80，為6.16，整取6匝，再算副邊的線徑。接下來的工作就是確定反饋繞組的參數(shù)，反饋是反激的電壓，其電壓是取自輸出級的，所以反饋電壓是穩(wěn)定的，TOP的電源電壓是5.7~9V，繞上7匝，那么其電壓大概是6V。最后一步是確定電壓變壓器的電感量，根據(jù)計算公式I=VS*TON/L，I為峰值電流*KRP，所以L=VS*TON/峰值電流*KRP。
這種小功率電源變壓器設(shè)計和制作的最后一步，就是對已經(jīng)制作完成的變壓器成品進行驗證，也就是驗證一下最大磁感應(yīng)強度是不是超過了磁芯的允許值，這里有公式BMAX=L*IP/SJ*NP。在該公式中，這個五個參數(shù)分別表示磁通最大值、原邊電感值、峰值電流、原邊匝數(shù)，這個公式是從電感量L的概念公式推過來的，因為L=磁鏈/流過電感線圈的電流，磁鏈等于磁通乘以其匝數(shù)，而磁通就是磁感應(yīng)強度乘以其截面積，分別代入到上式，即當(dāng)原邊線圈流過峰值電流時，此時磁芯達(dá)到最大磁感應(yīng)強度。這個磁感應(yīng)強度就用以上公式計算BMAX的值一般一要超過0.3T，若是好的磁芯，可以大一些，若是超過了這個值，就可以增加原邊匝數(shù)，或是換大的磁芯來調(diào)。
相關(guān)閱讀：
專家答疑：浪涌電流竟會存在于開關(guān)電源中？
資深粉分享：LED開關(guān)電源的PCB布線技巧
光電耦合器中的開關(guān)電源電路
