变压器骨架及绕组线径的选择

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变压器骨架及绕组线径的选择

变压器在电路中主要起到对电流进行变换、隔离、稳压等作用。因为用途广泛，变压器的种类众多。这就导致了一部分在对变压器进行选择时产生了困难，究竟应该怎样才能为电路选择合适的变压器呢?下面就对正激变压器设计过程中磁芯骨架的选择，以及初级绕组的线径设定进行了总结，我们一起来看看吧。
第一个需要面对的就是变压器骨架与磁芯的选择，其需要考虑的因素实在太多，我们列举其中一部分来讨论下。

) z+ n) b# }) [7 r# f& x1 w5 X首先用Ap法(磁芯面积乘积法)来计算变压器的AP值：AP=AW*Ae=(Ps*10^4)/(2ΔB*fs*J*Ku)
AW: core之窗口面积.( cm^2);
$ U' V# K* ]. A; gAe: core有效截面积.( cm^2);
/ `6 r8 m5 q6 ?0 vPs : 变压器传递视在功率( W ) Ps=Po/η+Po (正激式);
4 L5 M9 i1 A6 YΔB: 磁感应增量 ( T );
fs : 变压器工作频率 ( HZ );
J : 电流密度 ( A )
根据散热方式不同可取300~1000 A/cm^2;
4 n+ @5 B: D$ p+ Z, a5 R: ~Ku: 磁芯窗口系数. 可取0.2-0.4.
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对于上式Ap算法得到的值，跟实际使用的变压器AP值相差较远，所以被人广泛诟病。其实产生误差的根本原因是，上式基本上都是在工程应用中才有优化近似而得到的，所以有些参数是较为理想，而实际使用中很多的参数是变化的，甚至还有些分布参数在“捣乱”，所以造成了偏差，在实际使用在还要考虑到余量，所以对于计算得到的Ap值乘上一个1.5-2的系数比较合理。
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! X( a* L) q' h! ?! `2 A8 ?& Z其实这里的ΔB(磁感应增量)是个比较重要的物理量，需要大家注意。ΔB表征磁芯的在电源工作时，磁感应强度的变化范围，ΔB=Bmax-Br，Bmax是最大磁感应强度，Br剩余磁感应强度。
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; ?& e! k% l4 {* F2 O在输入电压与工作频率不变的前提条件下，对于同一幅磁芯，ΔB取得越大，磁感应强度的变化范围越宽，磁芯的铁损越大，但所需要的匝数就越少，相应的铜损就小。选用磁芯的时候，需要选择饱和磁通密度尽量高，剩余磁通密度尽量小的磁芯，这样可以实现
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6 u- P( B* `) A3 T% T得到AP值之后，可能有非常多的变压器都符合需要，这是首先需要考虑结构尺寸的限制，特别是高度与宽度的限制。

比如EFD30与EI28的AP值同样都是0.6cm4左右，但EFD30的高度小很多，更适合与扁平化的电源中，而EI28对于紧凑型电源则显得更重要。其次，从降低漏感与分布电容的角度出发，应该选择骨架宽度较宽的变压器磁芯跟骨架，这样单层绕线的匝数会更多，有利于降低绕线层数，从而降低漏感与分布电容，关于漏感的问题，我们在后面再展开讨论再次，还要从通用性与经济性的角度来考虑，这是工程设计中无法回避的现实问题
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2 D, x4 c* R# g: H/ I) t# L; E当然还有安规，EMI，温升，绕法等一些问题需要考虑。
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计算好匝比之后，一般会综合考虑次级整流管的电压应力，将计算的匝比调整或将匝比取整，接着我们就可以通过匝比来反推电路的真实占空比范围。
Dmax=n(Vo+Vf)/Vin(min)
Dmin=n(Vo+Vf)/Vin(max)
后面的就是要根据真实的占空比范围来计算，这样得到的参数才是比较合理的，接着就可以计算最大与最小的导通时间。
! W2 h! N3 w  x) s8 y8 \3 Stonmax= Dmax/ fs
tonmin= Dmin/ fs
7 q6 k/ t* d" Z) L5 w接着就能计算初级绕组的匝数了。
/ p2 B# c$ M7 i7 ~Np =Vin(min) ×tonmax/(ΔB×Ae)
. y/ p+ X1 X7 W& m# fNp：初级绕组的最少匝数
Vin(min)：初级绕组的最低输入直流电压
tonmax：初级MOSFET的最大导通时间
8 G* E  s, s! R) E" tΔB：磁感应强度的变化量，正激类电源根据散热条件，一般可以取0.2-0.3。
" I( W' h* {/ D7 h: D5 aAe：所选磁芯的横截面积，一般在磁芯手册上可以查到。

接下来计算次级匝数，次级匝数Ns = Np / n，当然得到的数值不一定是整数，一般都是要四舍五入取整数匝，因为小数匝在绕线的时候工艺不好控制。
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此时又会带来一个问题，要想保持匝比不变，那么势必要根据四舍五入之后的次级匝数，反过来计算初级的最终匝数，否则占空比就会发生改变， Np= Ns * n。计算的NP如果不是整数的话，也需要近似的取值，当然会带来匝比与占空比的轻微变化，但由于影响较小，所以一般都不需要再次去反推占空比。

% C: r0 [* w5 P$ D同样的，确定最终的初级匝数之后，可以反过来推算变压器磁芯的磁感应强度变化范围，验证ΔB是否在合理的范围之内，ΔB=[Vin(min) ×Dmax×Ts] / (Np×Ae)。

" b* b8 |9 g6 c4 {7 s1 d3 {得到Np之后，就可以计算出复位绕组匝数Nr，并计算出励磁电流以及复位绕组的线径，考虑到MOSFET的电压应力与变压器的可靠复位，一般都是设Np=Nr，然后根据所选磁芯的AL值，计算出复位绕组的电感量Lr=AL*N^2，继而计算出复位绕组的复位电流Ir=Vin(min) ×tonmax/Lr，相应的绕组线径也就能计算出来了。

接下来的工作就是计算初次级绕组的线径

7 `& o; @/ v- I( P9 R# J有一点需要大家注意的就是，计算线径要以电流有效值来计算，而非电流峰值或平均值!

要计算初级绕组的线径，首先要计算初级的峰值电流Ip = Pi / VL = Po / (η×Dmax×Vin) ，然后再计算峰值电流Iprms= Ip×√D，最后在根据电流密度来计算需要的绕组线的横截面积，最后要根据频率，趋肤深度与临近效应，变压器骨架宽度跟深度等因素来计算单根线径的外径。
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同理次级绕组的计算方法一样的，不同点就是用电流平均值来计算，Isrms=Io×√D，然后要考虑单根线径的值，考虑因素同上。

' E/ A3 k( `4 a4 i9 ^! H! y针对正激式变压器的骨架磁芯的选择，以及初次级绕组的线径，本篇文章都做了较为详细的介绍。希望大家在阅读过本篇文章之后能够积累更多有关正激变压器的设计。
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总结的不错 谢谢分享