開關電源變壓器是高頻開關電源的核心元件。其作用為：磁能轉換、電壓變換和絕緣隔離。開關變壓器性能的好壞不僅影響變壓器本身的發(fā)熱和效率，而且還會影響到高頻開關電源的技術性能和可靠性。高頻開關變壓器的設計主要包括兩部分：繞組設計及磁芯設計。本文將對應用在高頻下的單端正激變壓器的設計方法及磁芯的選擇給出較為詳細的論述。

1 單端正激變壓器原理

單端正激變壓器的原理圖如圖1所示。

單端正激變壓器又稱"buck"轉換器。因其在原邊繞組接通電源Vi的同時把能量傳遞到輸出端而得名。正激式變壓器的轉換功率通常在50～500 W之間。輸出電壓Vo由匝比n、占空比D和輸入電壓Vi確定。

當PWM控制器輸出正脈沖，功率開關導通，變壓器的初級繞組通過電流，此電流由兩部分組成，一部分為磁化電流即流經等效開環(huán)電感上的電流，另一部分足與輸出電流等效的初級電流，他和初次級匝比成正比，和輸出電流成正比。儲存在電感上的能量必須在功率開關關斷后下一次開啟前泄放掉，以便使磁通復位。N3為去磁繞組。

2 變壓器磁芯的選用原則

高頻開關電源中的變壓器從性能價格比考慮，MnZn功率鐵氧體材料是最佳的選擇。應用于高頻開關電源變壓器中的鐵氧體應具有以下磁特性：高飽和磁通密度或高的振幅磁導率，在工作頻率范圍有低的磁芯總損耗，較低的溫度系數，較高的居里溫度。

磁芯損耗Pc主要由磁滯損耗Ph和渦流損耗Pe(包括剩余損耗Pr)組成，即：


磁滯損耗Ph正比于直流磁滯回線的面積，并與頻率成正比關系。即：

對于工作頻率在100kHz以下的功率鐵氧體磁芯，降低磁滯損耗是最重要的，為降低損耗，即要降低矯頑力Hc、剩余磁感應強度。要達到此目的，須從兩方面著手，一是從配方成分方面，盡量使磁晶各項異性常數k→0，磁滯伸縮常數→0；二是在工藝上要做到高密度、大晶粒、均勻完整、另相少、內應力小、氣孔少。

3 單端正激變壓器的設計步驟

(1)了解變壓器的各項指標要求；
(2)選取磁芯材質確定△B值；
(3)計算磁芯的AP值，確定磁芯型號規(guī)格；
(4)計算初次級繞線匝數；
(5)計算線徑dw。

4 設計舉例

(1) 變壓器相關參數

INPUT：DC，48 V，50 W；
工作頻率：100 kHz；
傳輸效率：75％；
OUTPUT：5 V；
風冷散熱：J=400A／cm2。

(2) 根據變壓器對鐵氧體磁芯高Bs、低功耗的要求、可選用TDK的PC40，PC44，PC50或飛利浦的3F3，3F4材料。綜合考慮性價比因素，選用TDK的PC40材質。因為罐型磁芯具有較好的屏蔽，有利于解決EMI中的棘手問題--輻射，所以磁芯形狀選用罐型。同時不能使局部溫度太高，必須均衡放置發(fā)熱元件．另外還要求較低的紋波和較高的效率，所有這些考慮使得采用正激式比較合適。

TDK PC40材料的相關參數：

考慮磁芯實際使用中由于高溫效應、瞬間情況等引起B(yǎng)s，Br的變化，使△B動態(tài)范圍變小而出現飽和，因此設計時一般必須留出一定的安全空間，即選擇：

則

(3) 計算磁芯AP值，決定磁芯規(guī)格型號



式中：Aw磁芯銅窗面積(cm2)；
Ae：磁芯有效截面積(cm2)；
Ps：變壓器傳遞視在功率(W)；
△B：磁感應增量(T)；
f：變壓器工作頻率(Hz)；
J：電流密度；
Ku：銅窗占用系數取0.2。
將△B=0.25 T，f=105 Hz，J=400 A／cm2代入上式得：

查閱有關TDK DATA選用PC40P26／16Z-52H罐型磁芯，其參數如表1所示。



(4) 計算Np，Ns



(5) 檢查△B選擇合理性



(6) 計算線徑dwp，dws



原邊電流Ip：
查閱有關AWG導線規(guī)格可用AWG19線，其Axp=0.65 mm2。副邊繞組：

副邊繞組截面積Ss：

導線直徑 ；

rp：并聯(lián)根數取2；

將數據代人得：dws=0.77 mm；

查閱有關AWG導線規(guī)格可用AWG21，其d=0.785mm.

5 結 語

變壓器磁芯的△B的取值對磁芯體積、損耗工作穩(wěn)定性都有直接影響，導線的電流密度取值受磁芯AP值限制，決定于散熱方式。最優(yōu)化設計應同時考慮體積、溫升、成本因素來確定。

作者：呂銀芳 許會玲等