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  • 1988年自激反向导通型彩电开关电源变压器的简化工程设计.

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    Sheet1

      A B C D E F G H I J K L M N O
    1                              
    2    技海拾零                          
    3                               
    4          自激反向导通型彩电开关电源变压器的简化工程设计    
    5                              
    6             作者： 西安电子科技大学 通信系统研究室 杜保明   1988年 4月              
    7                              
    8       前言：                      
    9           1985年~1986年参与了陕西彩电工业配套引进项目〈富平无线电厂彩电开关电源变压器生产线〉                      
    10       的工作，承蒙省地县有关部门领导和学校的信任，受命担当此项目的技术负责人（也就是人们说的                      
    11       总工程师吧）；在项目技术准备过程中，和工厂的技术人员分析比较收集到的变压器样品，经常讨                      
    12       论的问题是如何设计开关电源变压器和确保变压器质量的生产工艺方法；这篇小文就是讨论变压器                      
    13       的设计和计算方法的，当时参考资料非常缺少，写的东西也有好多牵强之处，但总略胜于无吧。                      
    14           20几年过去了，翻看当时打印的文稿，白纸都已变成黄的了，为了不至于忘却，现在将文字照                      
    15       录如下。不知对将要开始搞技术的有否参考价值，希望有点吧。                      
    16                              
    17                              
    18         电视机，录放机或小型计算机的功率消耗一般仅有几十瓦，通常都采用电路比较简单的单                        
    19     端自激式开关稳压电源。在开关电源中，作为电--磁--电转换器件的变压器，对电源的性能有                        
    20     直接的影响。只有使用良好设计和制作的变压器，才能保证开关稳压电源的高效率，宽输入电                        
    21     压范围以及安全可靠等优良性能。                        
    22         对开关电源变压器进行完全的设计将涉及到电，磁，材料等好多方面，比较繁琐。对于实                        
    23     际的生产制作，可以使用简化的工程设计方法来进行。                        
    24         本文所介绍的设计是以“JVC”或“TOSHIBA”14英寸彩电单端自激反向导通型开关电源变                        
    25     压器为主进行的。电源的电路组成如图 1所示。                        
    26             L         T      
    27                         D1 V01  
    28       ~ 220VVac             Np Ns1   110Vdc  
    29         n                    
    30                              
    31               Tr         D2    
    32                   激励电路       V02  
    33                     NB Ns2   24Vdc  
    34                              
    35             保护电路   脉冲调制电路            
    36                              
    37                              
    38               误差信号放大电路     NG        
    39                              
    40                              
    41                              
    42         图 1：单端自激反向导通型彩电开关稳压电源电路的组成                    
    43         根据所使用的交流电网电压，以及电视机正常工作所需的直流电压，最大电流等，可以列                        
    44     出变压器设计的基本条件如下。                        
    45         交流输入电压及输入电压变化范围：                        
    46         Vac=185V~ ~ 265V~，V0=220V~ ；                        
    47         整流效率：ηAC/DC≈96%；                        
    48         输出整流二极管（D）和绕组线圈（L）的电压降： Vd = VD + VL≈1.5V；                        
    49         输出电压及电流：V01=110Vdc，I01=0.4A；                        
    50           V02=24Vdc，I02=0.05A；                  
    51         激励电压：VB≈8.0V；                        
    52         开关频率：fo≈41kHz，T≈24μS，TON/T≤0.4；                        
    53                              
    54                             P1
    55                              
    56                              
    57         环境温度：Tab=45℃；                        
    58         最大温升：Δt=35℃；                        
    59         根据以上条件和要求，变压器的设计按以下步骤进行。                        
    60     （1）。选择磁心：                        
    61         变压器输出功率：                        
    62       Pt =   V01xI01+V02xI02 ≈     46.0（W）              
    63         选择磁心的原则是，首先保证有足够大的传输功率；第二，要有足够的线圈绕制及绝缘空                        
    64     间；第三，磁心要具备适用的磁特性；第四，标准化和低成本。故居以上原则并为了有利说明                        
    65     计算方法，我们选择日本FUJI公司的开关电源变压器磁心H63-EER39/40，传输功率可达100 W                        
    66     以上。                        
    67         H63材料的性能如表 1，图 2所示；EER39/40磁心的参数如表 2，图 3所示。                        
    68       表 1：H63材料特性                      
    69       特性 使用频率 饱和磁通 剩余磁通 初始导磁率 材料功耗 居里点温度 比重 比电阻    
    70          
    71       符号 f Bs Br μiac Pv To d ρ    
    72       条件 - 80℃ 80℃ - 1000G,50kHz,  80℃ - - -    
    73          
    74       单位 kHz Gauss Gauss - mW/cm3 ℃ g/cm3 Ω.cm    
    75       H63 ~ 300 4250 950 2500 28 >230 4.8 >10    
    76                              
    77       表 2：H63-EER39/40磁心特性                      
    78       尺寸（mm） 磁心常数 有效磁路长度 有效截面积 有效体积 AL值  
    79        
    80       A B C D E F C1[cm-1] Le[cm] Ae[cm2] Ve[cm3] nH/N2  ±25%  
    81        
    82       40.0+0-1.8 29.3+1.6 12.8+0- 0.6 12.8+0- 0.6 19.8±0.2 11.2+0.8 7.38 9.22 1.25 11.53 3400  
    83         -0       -0            
    84       BACDEF           (a)工作磁通和功耗的关系10410310-11520kHz40kHz100kHz          
    85                              
    86                              
    87                              
    88                              
    89                              
    90                              
    91                              
    92                              
    93     25℃60℃80℃0246810H (Oe)10002000300040005000B (G)                        
    94                              
    95                              
    96                              
    97                              
    98                       (b)磁心温升与功耗的关系0864201030405020Δ t [℃]PC-W      
    99                   图 3：    H63-EER39/40磁心的特性曲线(a),(b)          
    100                              
    101                              
    102                              
    103                              
    104                              
    105                              
    106       图 2：H63材料的B-H特性                      
    107                              
    108                              
    109                             P2
    110                              
    111                              
    112     （2）。变压器的允许功耗和工作磁通变化量：                        
    113         在变压器温升Δt=35℃时，允许的总功耗约为：Pt=3.8W，工作磁通的最大值约为：                        
    114     Bm =3400G,在80℃温度下：Br =950G（以上参看图 2，图 3的a和b）。                        
    115         由以上，则工作磁通的变化量为：                        
    116         ΔBm = Bm-Br = 2450 G                        
    117         （ΔBm也近似地取80℃下Bm的80%）。                        
    118     （3）。输入直流电压：                        
    119         最大直流电压：                        
    120           Emax = 2 *Vacmax * ηAC/DC                    
    121       = 2 * 265 * 0.96                    
    122       ≈ 360 (Vdc）                    
    123         最低直流电压：                        
    124           Emin = 2 *Vacmin * ηAC/DC                    
    125       = 2 * 185 * 0.96                    
    126       ≈ 252 (Vdc）                    
    127         标准直流电压：                        
    128           Eo = 2 *Vaco * ηAC/DC                    
    129       = 2 * 220 * 0.96                    
    130       ≈ 299 (Vdc）                    
    131     （4）。初级绕组匝数：                        
    132       Np =   Emax * Ton(max)* 102     (匝）            
    133         Ae*ΔBm                    
    134         式中Ton(max)为最大导通时间，单位为μS，电压单位为伏特，Ae单位为cm2，ΔBm单位为                        
    135     G（高斯）。                        
    136         由于在开关管导通时间 Ton内，由电源向变压器储存磁能，而在关断时间Toff内，变压器                        
    137     将所储存的磁能转换为磁极输出的电能，为保证变压器磁心在Toff的时间内退磁到初始状态（                        
    138     图2中的R点），一般应使Toff≥0.4T，或者Ton(max)≤0.4T。                        
    139         由于T≈24μS，所以Ton(max)=0.4 * T ≈ 9.0μS                        
    140       Np = 360 * 9 * 102                
    141         1.25*2450                  
    142       ≈ 105.75  (匝)                  
    143     （5）。次级绕组匝数（NS1，NS2）：       Ton(max)                
    144       Ns= Np  Emin T-Ton(max)*                
    145           Vo + Vd                  
    146         式中各参数单位见Np计算式说明，       9                
    147       NS1= 105.75 252 24-9*                
    148           110+1.5                  
    149       ≈ 78.0 (匝)                  
    150         由于24V输出的电流仅0.05A，线电压降可忽略，既Vd = VD = 0.7V,因而：                        
    151       NS1= 105.75 252 924-9*                
    152           24+0.7                  
    153       ≈ 17.0 (匝)                  
    154     （6）。取样电压绕组匝数(NG)激励绕组匝数(NB)：                        
    155         取样电压一般可取20V左右，由于是电压取样，电流很小，绕组电压降亦可忽略，因而：                        
    156       NG= 105.75 252 924-9*                
    157           20+0.7                  
    158       ≈ 15.0 (匝)                  
    159                              
    160                             P3
    161                              
    162                              
    163         激励电压在标准交流电压(Vo=220V)输入时，应有 8V左右，并且这个电压是在开关管导通                        
    164     时间Ton内产生，因而有：                        
    165       NB= Np*VB                    
    166         Eo                    
    167       = 105.75 * 8                  
    168       299                  
    169       ≈ 3 (匝) 。                    
    170     （7）。各绕组的导线直径：                        
    171         变压器的交流输入功率为：       1                
    172       PAC= (Pout + Pt)*                  
    173       η                
    174         η≈95%，为变压器的转换效率，则有：                        
    175       PAC= (46+3.8)/ 0.95                    
    176       = 52.4 (W),                    
    177         输入电流的平均有效值为：                        
    178       Ipav= PAC / V0 = 52.4/220 = 0.238 A                    
    179         取导线的平均载流系数δ=2.1A/mm2，则初级绕组线径为：                        
    180       D =       Ipav2* = 0.2382* = 0.38(mm)，            
    181               π*δ   π*2.1              
    182         由于在高频工作，考虑电流趋肤效应，在 f=42kHz的频率下，导线直径应增大到低频时的                        
    183     1.09倍（即截面积增大到低频时的1.2倍），因此，使用的导线直径应为：                        
    184       Dp= 1.09 * D                    
    185       ≈ 0.42 (mm)                    
    186         同样，次级110V电压输出的绕组线径应为：                        
    187       DS1= 1.09*2*      IS1av = 1.09*2* 0.4 ≈ 0.536(mm)，        
    188                π*δ     π*2.1          
    189         为便于绕制，初次级使用一个规格的导线三股并绕，则每股导线的线径为：                        
    190       D1X3= DS1 ≈0.31(mm)。                
    191       3                
    192         NS2，NG，NB各绕组的电流都很小，可统一采用0.35~0.5mm直径的导线绕制。                        
    193     （8）。初次级电感量和磁心气隙（GL）：                        
    194         V0输入时，变压器初级绕组内的峰值电流为：                        
    195     Ipmax=   2*Ipav* T                
    196         TON(MAX)                
    197       = 2 * 0.238 * 24/9                    
    198       ≈ 1.27 (A)                    
    199         因此，初级的标准电感量应为：                        
    200       Lp= Eo *TON(MAX)* 10-3 (mH)              
    201       Ipmax              
    202       = 299 * 9 *10-3                
    203       1.27                
    204       ≈ 2.12 (mH)                  
    205         次级NS1绕组的标准电感量应为：                        
    206       LS1= Lp *NS12                
    207       Np2                
    208       = 2.12 *782                  
    209         (105.75)2                    
    210       ≈ 1.16 (mH)                  
    211                              
    212                              
    213                             P4
    214                              
    215                              
    216         为了保证NP绕组流过要求的电流而又不使磁心饱和，需要在磁心中制造间隙，增大磁阻，                        
    217     降低AL值。不同方式的间隙（三足隔垫或中足开气隙）尺寸和实效AL值的对应关系或曲线，一                        
    218     般由磁心生产厂给出，变压器制造厂可以根据设计要求选用（可参阅日TDK公司软磁性磁心手                        
    219     册等）。目前，我国的磁心生产厂还没有给出这方面的标准参数，一般要由变压器制造厂和磁                        
    220     心生产厂协同用试验的方法确定。因此，下面进行的计算及结果，仅供中足开气隙时的参考。                        
    221         初级绕组的计算用最小电感量：                        
    222     Lpmin=   Emin *Vacmin *Tonmax2     *10-3 (mH)              
    223         2*PAC*T                  
    224         式中，电压为V（伏特），功率为W（瓦），时间为μS（微秒），则有：                        
    225     Lpmin=   252 * 185 * 92*10-3                
    226         2*52.4*24                  
    227       ≈ 1.50 (mH)                  
    228         计算用磁心实效导磁系数μe为：                        
    229       μe=   C1 * Lpmin * 104                  
    230         0.4*π*Np2                  
    231         式中，C1单位为cm-1,Lpmin单位为m H，则有：                        
    232       μe=   7.38*1.50*104                  
    233         0.4*π*(105.75)2                  
    234       ≈ 7.87729                    
    235         由以上，则磁心中足气隙的参考值GL为：                        
    236       GL= Le*(1 - 1)*10-1                
    237         μe μiac1 1                
    238       = 9.22*(     )*10-1              
    239         7.877 2500                
    240       ≈ 0.11668 (cm)                  
    241       = 1.17 (mm)                  
    242         因为磁心的性能不可能作到绝对没有变化，而存在一个允许的误差范围。所以实际上在开                        
    243     磨气隙时，可在1.17mm~1.20mm之间由试验确定。                        
    244     （9）。变压器工作温升的估算：                        
    245         变压器温升主要由变压器本身产生的功耗，环境温度和工作环境的散热条件等因素决定；                        
    246     散热主要通过变压器表面的热辐射和自然对流进行。一般情况下，最不利于散热的情况是在夏                        
    247     季，若环境温度Tab = 45℃，变压器磁心表面温升Δt=35℃；则变压器表面最高温度应在80℃                        
    248     以下。                        
    249         热辐射形式的热耗散速率为：                        
    250       P1 = 5.67*10-8*E*(TM4-Tab4)       (W/m2)            
    251           E： 表面辐射率，黑色表面 E=0.95；                
    252           TM： 磁心表面最高温度（绝对温度）；                
    253           Tab： 环境温度（绝对温度）；                
    254         因为变压器的磁心为黑色，则有 E=0.95，并且TM=273+80=353，Tab=273+45=318，代入计                        
    255     算式，则有：                        
    256       P1≈ 285.557 (W/m2)                
    257         自然对流热耗散速率：                        
    258         对于垂直放置的表面，散热速率为：                        
    259       P2≈ 2.17*(Δt)1.25                    
    260       = 184.733 (W/m2)                
    261         对于水平向上放置的表面，散热速率为：                        
    262       P3≈ 1.27*P2                    
    263       = 234.611 (W/m2)                
    264                              
    265                             P5
    266                              
    267                              
    268         对于水平向下放置的表面，散热速率为：                        
    269       P4≈ 0.82*P2                    
    270       = 151.481 (W/m2)                
    271         绕制好的变压器立式安装（如图 4），线包为圆形，最大外径27mm左右，则有：                        
    272       S2= 4*D*E + 4*D*F + 4*P*(A-B)+4*A*(E-F)+2*Φ*π*F                    
    273       ≈ 5.527*10-3   (m2)                
    274       S3= D*(A-B)+π*(Φ/2)2                    
    275       ≈ 0.693*10-3   (m2)                
    276       S4= D*(A-B)+π*(Φ/2)2                    
    277       ≈ 0.693*10-3   (m2)                
    278       S1= S2+S3+S4                    
    279       ≈ 6.913*10-3   (m2)                
    280         代入散热速率计算式，则总的热耗散速率为：                        
    281       PΣ≈ P1*S1+P2*S2+P3*S3+P4*S4                    
    282       = 1.974+1.021+0.163+0.105                    
    283       = 3.263 (W)                  
    284         变压器的功耗主要是由磁心的功耗（铁损）和变压器线圈的功耗（铜损）两大部分组成。                        
    285     H63-EER39/40磁心，材料铁损在80℃，50kHz时的最大值为PL=28mW/g；材料比重d=4.8g/cm3,                        
    286     磁心体积Ve=11.53cm3，因此，总铁损为：                        
    287       PZ= PL*d*Ve                    
    288       ≈ 11.53*28*4.8                    
    289       ≈ 1549.632 (mW)                  
    290       = 1.55 (W)                  
    291         绕制好的线圈，初级最大电阻RP=0.7Ω，次级最大电阻RS=0.6Ω，则铜损值约为：                        
    292       PC= Ip2*Rp2+Is2*Rs2                    
    293       ≈ (0.24)2*0.7+(0.45)2*0.6                    
    294       = 0.16182 (W)                  
    295         考虑到其他绕组（24V绕组，取样及激励绕组等）和介质损耗等，将变压器的功耗增大至                        
    296     1.2倍，则变压器功耗变为：                        
    297       PK≈ (PZ+PL)*1.2                    
    298       ≈ 2.05418 (W)                  
    299         变压器的热耗散能率为3.263W，而变压器的最大功耗为2.054W，散热能力和损耗功率相比                        
    300     有近60%的余量；因此，即便在45℃的环境温度下，变压器的温度也会远底于80℃。                        
    301     （10）。标准状态下的开关工作频率验算：                        
    302         单端自激反向导通型开关稳压电源，在其输出功率不变和开关导通比维持恒定的情况下，                        
    303     开关管的工作频率的约值为：                        
    304       f = (VIN - VCE)2 (kHz)                
    305       8*LP*V0*IOMAX                
    306         式中，VIN为加在开关管上的直流电压Eo=299V，VCE为开关管的饱和压降(约0.7V)，VO为主                        
    307     输出电压(即：V01+绕组线电压降和续流二极管的压降 )，IOMAX为输出直流脉冲电流的最大值：                        
    308       IOMAX= Io* 3 ToffT                  
    309                            
    310         将所得到的各参数值代入，则在交流220V时，开关工作频率的约值为：                        
    311       f = (Eo-0.7)2            
    312       8*2.12*(110+1.5)*0.4* 3 /0.6            
    313       ≈ 40.8 (kHz)                  
    314         即与设计时预设的开关频率基本相同。                        
    315                              
    316                              
    317                             P6
    318                              
    319                              
    320         实际情况下，彩电的功率消耗是一个变量，大多数时间低于POUT（45W）；因而，开关工作                        
    321     频率在大多数情况下低于41kHz，大约在25kHz~38kHz之间随机变化。                        
    322         彩电开关电源输出电压的稳定，是由电源电路自动调整开关管的开关频率和导通比来完成                        
    323     的。为了使交流电网输入电压的下限降低，初级绕组的电感量可尽量取在负误差允许范围内，                        
    324     以增大低输入电压时的储能电流。当初次级的匝数在±2%~±4%范围内变化时，对电源的实际                        
    325     工作并无多大的影响；但在生产中，作为产品，必须保证各绕组匝数一致不变，电感量也必须                        
    326     尽量作到在设计值上，使产品具有良好的电气一致性。                        
    327         以上计算若有不妥，望指正。                        
    328                              
    329                         1988年 4月于西安    
    330                              
    331                              
    332                              
    333                              
    334                              
    335     注： 关于变压器的温升                      
    336                  一般情况下，对同一物体而言，单位表面积需要发散的热功率按55%的热辐射和45%的                    
    337         热对流组合实现（即Ws=0.55×Wr+0.45×Wc），当预知环境空气温度后，可以得到如下的                    
    338         发热物体的温升概算式：                    
    339                 ΔT=（0.55×Δr + 0.45×Δt）/ 2                                                          
    340                        = ( 0.55×( ( ( Ws + k1 ) / ( 5.13×10-12 ) )1/4 – k2 )  + 0.45×( Ws / ( 2.7×10-4 ) )1/1.2 ) / 2             [ ℃ ]      
    341                式中：Ws  单位表面积需要耗散的热功率   （ W / cm2）                  
    342           k1   和环境空气温度有关的系数（见下表）                
    343           k2   和环境空气温度有关的系数（见下表）                
    344           表： 不同环境空气温度时系数k1，k2的值：                
    345           环境温度℃ -10 0 20 30 40 50      
    346                
    347           k1 0.02454 0.02850 0.03781 0.04324 0.04924 0.05584      
    348           k2 263 273 293 303 313 323      
    349             在上文关于变压器的工作温升的计算中，我们已得到变压器的总损耗PK≈2.054W，变                    
    350         压器的总的散热面积是S1≈6.913*10-3(m2)，变压器单位面积(cm2)需要耗散的热功率Ws为                    
    351         Ws=0.029725(W/cm2)；假定变压器的工作环境温度为40℃，则按上面算式计算得到的变压                    
    352         器温升为ΔT≈22.1℃（达到热平衡后的变压器表面温度约为62℃）。                    
    353                              
    354                       DuBao 2006年12月31日于西安    
    355                              
    356                              
    357                              
    358                              
    359                              
    360                              
    361                              
    362                              
    363                              
    364                              
    365                              
    366                              
    367                              
    368                              
    369                              
    370                             P7
    371                              
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