【经验】反激式开关电源的变压器该如何设计？

时间： 2018-02-27 来源：世强作者：电气14号

技术问答

在小功率工业及消费类电子应用中，反激式电源是主流，因为反激式电源非常适合小功率段，同时提供了天然的隔离效果。最常见的是手机充电器、电动车充电器、笔记本电源适配器、白色家电及消费类产品中的电源、工业自动化设备及新能源产品中的辅助电源部分。

在反激式开关电源的设计中，变压器的设计是比较复杂同时也比较重要的一个环节，一个变压器参数设计的好坏决定着整个AC-DC产品的性能。反激式变压器主要包括磁芯型号、一次侧匝数Np、二次侧匝数Ns、一次侧电感量Lp、一、二次侧导线线径等参数，下面以一款电动工具的电源为例，通过一步步的推导给大家解析反激式变压器的设计要点。

设计需要：

1.使用场合：手持式电动工具电源；

2.输出功率/电压：30W/12V；

3.输入电压范围：85V-265Vac

4.保护功能：OTP/OVP/OCP；

5.高效率和低空载功耗；

6. 尽可能的节省模块空间。

设计步骤：

1、先根据产品的设计需求选择一款合适的开关电源芯片：

PI公司的电源芯片产品TOPSwitch-JX系列，高度集成化设计使得外围电路设计简单易行，同时可以节省更多的产品空间。内置725V的高压MOS模块和全功能的多模块控制器，可以满足85V-265V的宽电压输入范围。负载功率范围10W-245W，在整个负载范围内实现了出色的空载性能和高效率，同时拥有多种电路保护设计功能，可以出色的完成电动工具中的电源的设计需求。

2、Np/Ns、T、Ton、Toff、Td、Dmax参数的确定：

电源芯片的开关管的额定电压是决定匝比的重要参数，Topswitch-JX系列产品额定值为725V，由0.8*VDss=Vdcmax+（Vo+VF）*（Np/Ns）+VLK 可以得出匝比的计算公式：

Np/Ns=（0.8*VDss-VLK- Vdcmax）/（Vo+VF）

其中，0.8的系数为了保证设计裕量，VLK为漏感电压，可通过RCD电路限制，具体设计方法后续会有专门介绍，Vor=（Vo+VF）*（Np/Ns）为反射电压。

Topswitch-JX系列产品共有两种工作频率供选：66kHz和132kHz，通过f的选择即可确定周期T=1/f的值，由于连续工作模式（CCM）时Boost电路的传递函数存在右半平面零点，所以本文的设计是基于DCM模式下的参数计算，即要保证一定的死区时间Tr，以防止在工作的过程中由DCM偶尔进入CCM时电路发生震荡；一般取Tr=0.2T，其中T=Ton+Toff+Tr。

再由伏秒平衡公式Vdc*Ton=（Vo+VF）*（Np/Ns）*Toff可得出：

Ton=（（Vo+ VF）*（Np/Ns）*0.8T）/（Vdc+（Vo+ VF）*（Np/Ns））

Ton的最大值Tonmax是在输入直流电压Vdc取最小值Vdcmin的情况下得出，从而可得出Dmax=Tonmax/T，计算出此值后需核对芯片资料中的参数是否满足，不满足则需要重新设计。

3、变压器一次侧及二次侧匝数计算：

由法拉第电磁感应定律U=N*dφ/dt可得出变压器一次侧输入电压和匝数的关系公式：

Vdc=N*dφ/Ton，其中dφ=△B*Ae，常用的反激式变压器的磁芯材料一般为TDK的PC40，由于材料的限制，△B不能超过0.3T，但在实际应用中一般取值为0.16T，（变压器磁芯的设计方法以后会专门开篇介绍，这里不再赘述），Ae为所选变压器磁芯的截面积；得出：

Np=（Vdc*Ton）/（△B*Ae）

然后再根据前面计算出的Np/Ns的值计算出二次侧匝数Ns。

其中Vdc为输入电压的DC值，计算时取最小值，此时Ton则为最大值；

4、变压器一次侧电感量的计算：

Q1导通期间，Np上所加的电压恒定，其电流线性上升，斜率为di/dt=Vdc/Lp，其中Lp为初级励磁电感；在一次侧导通结束之前，初级电流上升到Ip=Vdc*Ton/Lp，此时变压器存储的能量为：E=1/2*Lp*Ip*Ip

由P=E/T得Pi=（1/2*Lp*Ip*Ip）/T，带入公式Ip=Vdc*Ton/Lp ，可推导出一次侧电感量的计算公式：

Lp=(1/2*Vdc*Vdc*Ton*Ton)/（T*Pi），

再由效率转换公式Pi=Po/η得出如下公式：Lp=(1/2*Vdc*Vdc*Ton*Ton*η)/（T*Po）

其中Vdc为输入电压的DC值，计算时取最小值，此时Ton则为最大值；

通过以上的公式推导可以看出，只要反馈回路保持Vdc*Ton恒定，即可保持输出恒定。

5、计算初级电流有效值及导线尺寸：

由公式Ip=Vdc*Ton/Lp可以得出一次侧的峰值电流，由于电流波形为三角波，所以二次侧的有效值电流：

Irmsp=(Ip/SQRT(3))*SQRT(Ton/T)

电流密度的计算为Irms/导体截面积，电流密度的大小与发热量密切相关，一般取500圆密耳值，可得：一次侧导体截面积=Irmsp/500，根据截面积再选择合适线号的导线，导线线号的选择一般要偏上行选择。

6、计算次级电流有效值及导线尺寸：

通过上式得出的Irmsp值即可计算得出二次侧的有效值电流为：

Irmss=(（Ip*（Np/Ns））/SQRT(3))*SQRT(Toff/T)

然后通过与上述相同的方法计算出二次侧导线的截面积，从而选择合适的线号。

7、文档整理外发打样制作

将上述设计完成的参数制作成文档发送给变压器制造商进行生产打样，包括磁芯型号、一次侧匝数Np、二次侧匝数Ns、一次侧电感量Lp、一、二次侧导线线径等参数。这样我们就完成了一个完整的反激式开关电压的变压器设计过程。

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serena Lv7. 资深专家 2018-03-26

学习了
Chandler Lv8. 研究员 2018-02-27

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选型指南 - WAGO - 2017年02月 PDF 中文下载

智领生活共创家电“芯”方案 | 艾创微携带开关电源控制器集成电路产品亮相CAEE 2024广东展

艾创微作为家电行业的重要参与者，展示开关电源控制器集成电路产品，这些产品以其高效率和高精度在小家电、白色家电等领域占据市场优势。艾创微团队在展会上与参观者深入交流，探讨合作新路径，推动家电产业智能化、高效化、绿色化。

原厂动态发布时间 : 2024-08-26

【技术】解析常用手机充电器及变压器的工作原理

手机充电器我们都很熟悉，但对于手机充电器以及内部变压器的工作原理您有了解吗？它们是怎样工作的呢？本文中普奥电子将为大家解析常用手机充电器及变压器的工作原理。

技术探讨发布时间 : 2023-08-03

晶台KL101X系列晶体管光耦助力开关电源，4引脚LSOP封装，输入与输出高隔离电压5000Vrms

在现代电子设备中，开关电源（Switch Mode Power Supply，SMPS）以其高效能和紧凑性成为电源设计的主流选择。为了保障开关电源的高性能和可靠性，光耦的应用变得至关重要。本文晶台将介绍光耦在开关电源中的应用实力，并推荐性能优异的光耦型号KL101X系列。

器件选型发布时间 : 2024-07-06

【IC】芯伯乐八选一模拟开关CD4051电气性能优异和设计便捷，广泛用于通信、工业控制、汽车电子、智能家居

总的来说，这款国产芯伯乐原厂八选一模拟开关CD4051凭借其优异的性能和设计，以及对品质的严格把控，成为行业内备受关注的产品之一。随着技术的进步和市场的需求变化，相信它将继续发挥重要作用，推动整个行业向前发展。

产品发布时间 : 2024-05-01

亚成微无Y电容开关电源方案用于电源适配器，内置开关管和多模式控制器，有效降低系统EMI干扰

睿德电子电源适配器采用亚成微电子RM6515D高集成开关电源方案，芯片内部集成开关管和多模式控制器，满足六级能效要求，支持谷底检测开通，具有低启动电流和工作电流，降低系统EMI干扰实现无Y电容设计，为电源带来诸多好处。

应用方案发布时间 : 2023-12-16

【产品】信号可控开关的低功耗单模拟开关BU4S66G2、BU4066，3-18V宽工作电压范围

罗姆(ROHM)公司推出的BU4S66G2与BU4066BC系列产品分别为单模拟开关和四模拟开关，功耗低，电源电压范围广，分别为5引脚封装和14引脚封装

新产品发布时间 : 2019-06-14

小于1%的Ron变化率，“轨到轨+”模拟开关/多路复用器

TS410x家族由8通道模拟复用器TS4100，双4通道模拟复用器TS4101和三重单刀双掷开关TS4102组成。可以在低达0.8V的供电电压下工作，同时可接受的输入信号波动可达电源电压5.25 V，应用在低电压电池供电设备。

新产品发布时间 : 2016-10-12

【应用】采用PI的TNY288PG设计12W输出的隔离反激式开关电源，最高效率达85%

本文介绍一款设计方案，采用TinySwitch-4系列离线开关芯片TNY288PG，设计额定功率12W，12V/1A输出，适用于工业仪表，家电等电气设备的电源。本设计方案满足技术参数：输入电源85~265VAC，12V/1A输出，空载损耗小于30mW，效率达到DOE6和CoC V5 第二阶段能效标准，具备输入欠压、输出过压和过热保护功能等。

应用方案发布时间 : 2019-10-26