開關變壓器的設計理論

   下面我們以輸出功率為5瓦以下的開關電源為例，講解一下開關電源變壓器的設計。

1 電氣要求：

1.  輸入電壓：AC 90-264V/50-60HZ
2.  輸出電壓：5±0.2 V
3.  輸出電流：1A

2 設計流程介紹：
2.1 線路圖如下：
  
     說明：
W1，W3是做屏蔽用的，對EMI有作用；
Np是初級線圈(主線圈)；
Nb是輔助線圈；
Ns次級線圈（二次側圈數）。

2.2 變壓器計算:
2.2.1 變壓器的參數說明:
依據變壓器計算公式  
 
 B(max) = 鐵心飽合的磁通密度(Gauss)
 Lp = 一次側電感值(uH)
 Ip = 一次側峰值電流(A)
 Np = 一次側(主線圈)圈數
 Ae = 鐵心截面積(cm2)
 B(max) 依鐵心的材質及本身的溫度來決定，以浙江東磁公司的DMR40為例，100℃時的B(max)為4000 Gauss，設計時應考慮零件誤差，所以一般取3000~3600 Gauss之間，若所設計的power為Adapter(有外殼)則應取3000 Gauss左右，以避免鐵心因高溫而飽合，一般而言鐵心的尺寸越大，Ae越高，所以可以做較大瓦數的Power。
2.2.2 決定占空比:
由以下公式可決定占空比 ，占空比的設計一般以50%為基準，占空比若超過50%易導致振蕩的發生。 
 
 NS = 二次側圈數
 NP = 一次側圈數
 Vo = 輸出電壓
 VD= 二極體順向電壓
 Vin(min) = 濾波電容上的最小電壓值
 D =占空比
2.2.3 決定Pout，Ip，Lp，Nps，Np，Ns值:
Pout=V2 x Iout x 120%
V2=Vout + Vd + Vt
  
因為I1p是峰峰值，如下圖：
 
所以   
    Lp=  
  簡化后
   Lp=  
    Nps= 
  
 Ip = 一次側峰值電流
 I1p = 一次側尖峰電流值
 Pout = 輸出瓦數
 Vd=開關二級關的正向壓降一般為0.55V
 Vt=輸出濾波線圈的壓降，一般取0.2V
  開關變壓器的轉換效率
  PWM震蕩頻率
 Nps次級與初級的匝比
 Np初級線圈圈數，Ns次級線圈圈數
2.2.4 決定變壓器線徑及線數:
當變壓器決定后，變壓器的Bobbin即可決定，依據Bobbin的槽寬，可決定變壓器的線徑及線數，亦可計算出線徑的電流密度，電流密度一般以6A/mm2為參考，電流密度對變壓器的設計而言，只能當做參考值，最終應以溫升記錄為準。

2.2.5 決定輔助電源的圈數:
依據變壓器的圈比關係，可決定輔助電源的圈數及電壓。
2.2.6 變壓器計算:
 輸出瓦數10W(5V/2A)，Core = EE-19，可繞面積(槽寬)=57mm，Margin Tape = 2.8mm(每邊)，剩餘可繞面積=4.4mm，Ae=52
 假設fT = 45 KHz ，Vin(min)=90V， =0.7，
 計算式:
 決定占空比:
                          假定D=0.48，f=45k
 計算Pout，Ip，Lp值:
          V2=Vout + Vd + Vt
            =5+0.55+0.2=5.75
Pout=V2 x Iout x 120%
              =5.75 x 2 x 1.2 =13.8W
   
         = =0.69A
            
            = 0.69/2.4=0.30A
      Lp=  
         =  =1.6mH
     Nps=    
         =5.75/100=0.058
       
        = =4.1取5圈
     Np=5/0.058=88圈
   輔助線圈電壓為10V，則權數為
       Nw4=10/100 x 88=9圈
 變壓器材質及尺寸:
 由以上假設可知材質MBR40，尺寸=EE-19，Ae=0.52cm²，可繞面積(槽寬)=12mm，因Margin Tape使用2.8mm，所以剩餘可繞面積9.2mm.

 決定變壓器的線徑及線數:
 =0.69A
            = 0.69/2.4=0.30A
 假設NP使用0.32ψ的線
電流密度=
可繞圈數=
 假設Secondary使用0.35ψ的線
電流密度=
 假設使用4P，則
電流密度=  
 可繞圈數=  
    
2.2.7 設計驗證
將所得資料代入  〈 0.3T公式中，如此可得出B(max)，若B(max)值太高或太低則參數必須重新調整。
 
     =1.6 x 0.69/(88 x 52)  x 100
     =0.28T<0.3T設計通過