反激型開關電源變壓器設計與校核

喻 晶，徐 亮，唐明銘，李春煬，章 鵬，吳增鳳

（中天寬帶技術有限公司，江蘇 南通 226400）

1 磁芯材質選擇

變壓器設計首先需要進行鐵芯材質的選擇，軟磁鐵氧體（Ferrites）是以三氧化二鐵為主成分的亞鐵磁性氧化物，不使用鎳等稀缺材料也能得到高磁導率，且燒結物硬度大、對應力不敏感，磁導率隨頻率的變化特性穩定。軟磁鐵氧體具有高的飽和磁感應強度，具有低損耗/頻率關系和低損耗/溫度關系。

軟磁鐵氧體有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn 等幾類，其中Mn-Zn 鐵氧體的產量和用量最大，Mn-Zn 鐵氧體的電阻率低，為1 ～10 Ω·m，一般在100 kHz 以下的頻率使用[1]。綜上選擇Mn-Zn 軟磁鐵氧體磁芯。

2 相關參量的計算

文章設計的是反激型開關電源的變壓器。開關電源輸入側從直流母線取電，取電回路中串有高頻開關管，開關打開期間，變壓器把能量從輸入源存儲起來。在開關斷開期間，電感電壓反向，鉗位二極管正向偏置，電感電流流向輸出側。變壓器的作用就是將輸入側（原邊）的能量傳遞到次級側。對于反激式開關電源，根據電量守恒原理，其輸入輸出電壓與占空比D之間的關系為

反激電源Pin=100 W。對于變壓器本身而言，其功率損耗基本集中在次級側的繞組導通損耗，變壓器次級側的繞組損耗PT2P表達式為

3 磁芯型號選擇和窗口面積校核

查得最接近的磁心型號為ER35。 ER35 的相關尺寸如圖1 和表1 所示。

表1 ER35 磁芯尺寸 單位：mm

圖1 ER35 磁芯尺寸標識

變壓器能否制作成功，除了需要考慮磁芯材質、輸入輸出功率、磁芯型號等因素，還需要重點考慮結構問題，有可能變壓器各種參數設計好了之后線圈卻繞不下，傳統的驗證方式是通過實物制作樣品，費時費力。通過窗口面積校核法進行提前校核，可以避免變壓器繞組繞不下的情況，簡化變壓器的制作流程[3-6]。ER35 的等效窗口面積Q=(E-D)×F=140.14。根據式（5）說明繞組能繞的下，設計計算完成。

4 計算電感量

計算電感應儲存的能量（ΔI為電流超調量，ΔI=1 A）為

代入相關數值，計算可知EL為1.31 mH。

將磁芯材料及選型、各繞組功率需求、匝數比以及電感量等參數提供給變壓器廠家，變壓器廠家便可以制作出變壓器樣品。

變壓器在同樣的電流輸出能力下，其輸出繞組可以采用多股小直徑銅線并繞和少股大直徑銅線并繞2 種方式。在2 種方式均滿足窗口面積校核的情況下，通過實測對同一反激電源電路中應用2 種不同繞線方式制成的變壓器進行對比。

2 個變壓器各繞組匝數相同，一個變壓器繞組為0.2×50P 的多股絞合線。另一個變壓器繞組為1×3P的漆包線。需要對比的參數如下[7]。（1）滿載時開關管的應力；（2）滿載及過載時整流管的溫度；（3）在老化房里運行0.5 h/2 h/8 h/12 h 的情況下，變壓器的溫升曲線。

5 測試波形及數據

（1）滿載時開關管的應力。相同的反激電源應用2 種變壓器時開關管的應力如圖2 和圖3 所示，由圖可以看出，2 者開關管的應力相同，正向應力均為320 V。因此，變壓器匝數不變的情況下，改變繞組線徑和股數對開關管應力沒有影響。

圖2 多絞線變壓器MOS 管兩端正向應力

圖3 漆包線變壓器MOS 管兩端正向應力

（2）滿載及過載時整流管的溫度。滿載及過載時整流管的溫度如表2 所示，溫升曲線如圖4 所示。

表2 滿載及過載時整流管的溫度

圖4 反激電源電源整流管溫升曲線

整流管是反激電源中溫度最高的元器件，由圖4可以看出，整流管運行3 h 之后溫度達到平衡。使用多絞線變壓器將系統整體溫度溫度降低了0.6 ℃；過載對反激電源的溫度影響較大，相比滿載，過載時溫度上升了16.8 ℃，增加23.5%。使用共模電感后，隨著開關管的應力減小，整流管溫度葉有所下降，由表2 可以看出，相比無共模電感時，整流管溫度下降了11.1 ℃。

表2 滿載及過載時變壓器的溫度

（3）在老化房里運行0.5 h/2 h/8 h/12 h 的情況下，變壓器測得的溫度如表3 所示，溫升曲線如圖5 所示。由圖5 可以看出，變壓器在前2 個小時內溫度上升比較大，運行4 h 之后溫度達到平衡。同等條件下，運行12 h 之后，多絞線變壓器相比3 股線變壓器，溫度低5.2 ℃，效果更好。

圖5 反激電源變壓器溫升曲線

結合前面的分析可以知道，同等條件下，使用多絞線變壓器銅損小，有助于降低反激電源系統溫度。