### 开关电源变压器设计知识点详解
#### 一、开关电源变压器设计概述
开关电源变压器是开关电源中的核心部件之一，其设计的好坏直接影响到整个开关电源的性能指标，包括效率、体积、重量等方面。本篇文章将详细介绍一个开关电源变压器的设计案例，通过具体的参数计算过程，帮助读者理解开关电源变压器的设计原理。
#### 二、设计案例参数说明
**输入电压:** 85~264V
**输入电压频率:** 50/60Hz
**输出电压:** 12VDC
**输出电流:** 5A
#### 三、选择磁芯尺寸
首先需要根据输出功率选择合适的磁芯。一般来说，可以通过查阅磁芯制造商提供的资料来确定磁芯的尺寸。在这个例子中，选择了TDK PQ2620PC型号的磁芯，其参数为：Ui=2300nH/A, Ae=119mm², Bs=380mT (100℃), Br=140mT (23℃)。这里的Ui表示单位磁导率，Ae表示磁芯的有效截面积，Bs表示饱和磁通密度，而Br则表示剩余磁感应强度。
#### 四、计算输入电流平均值
输入电流的平均值可以通过以下公式计算：
\[ I_{av} = \frac{P_{out}}{\eta * V_{in(min)}} \]
其中，\( P_{out} \) 是输出功率，\( \eta \) 是效率，\( V_{in(min)} \) 是输入电压的最小值。在这个案例中，输出功率 \( P_{out} = 12V * 5A = 60W \)，输入电压的最小值 \( V_{in(min)} = 90V * \sqrt{2} - 20V \approx 110V \)，效率 \( \eta = 80\% \)。因此，
\[ I_{av} = \frac{60}{0.8 * 110} \approx 0.68A \]
#### 五、计算输入峰值电流
输入峰值电流 \( I_{pk} \) 可以通过以下公式计算：
\[ I_{pk} = \frac{2 * I_{av}}{(1 + k) * D_{max}} \]
其中，\( k \) 一般取决于输入功率，对于小于40W的功率，\( k \) 的取值范围为0.35~0.45；对于大于40W的功率，\( k \) 的取值范围为0.5~0.6。这里选择 \( k = 0.45 \)，最大占空比 \( D_{max} = 0.45 \)。因此，
\[ I_{pk} = \frac{2 * 0.68}{(1 + 0.45) * 0.45} \approx 1.92A \]
#### 六、计算初级电感
初级电感 \( L_p \) 的计算公式为：
\[ L_p = \frac{V_{in(min)} * D_{max}}{I_{pk} * f} \]
其中，\( f \) 是工作频率。假设工作频率为62kHz，则
\[ L_p = \frac{110V * 0.45}{1.92A * 62kHz} \approx 0.423mH \]
#### 七、计算初级匝数
初级匝数 \( N_p \) 的计算公式为：
\[ N_p = \frac{L_p * I_{pk}}{V_{in(min)} * T_{on} * 10^4 / A_e * B} \]
其中，\( T_{on} \) 是导通时间，\( A_e \) 是磁芯的有效截面积，\( B \) 是磁通密度。假设 \( T_{on} = 0.45 * \frac{1}{62kHz} \approx 7.5\mu s \)，\( B = 2250G \)，则
\[ N_p = \frac{0.423mH * 1.92A}{110V * 7.5\mu s * 10^4 / 119mm^2 * 2250G} \approx 30.8 \]
取整后得到初级匝数为31匝。
#### 八、计算次级匝数
次级匝数 \( N_s \) 的计算公式为：
\[ N_s = \frac{V_{in(min)} * N_p * D_{max}}{(V_o + V_D) * N_p * (1 - D_{max})} \]
其中，\( V_D \) 是二极管的正向压降。假设 \( V_D = 0.5V \)，则
\[ N_s = \frac{110V * 31 * 0.45}{(12V + 0.5V) * 31 * (1 - 0.45)} \approx 4.3 \]
取整后得到次级匝数为5匝。
#### 九、修正初级圈数和电感
修正后的初级匝数和电感可以通过以下步骤计算：
1. 修正初级匝数：
\[ N_p = \frac{V_{in(min)} * N_s * D_{max}}{(V_o + V_D) * N_p * (1 - D_{max})} \]
代入修正前的次级匝数 \( N_s \) 和初级匝数 \( N_p \) 计算得出修正后的初级匝数。
2. 修正初级电感：
\[ L_p = \frac{N_p * A_e * B}{I_{pk} * 10^4} \]
#### 十、计算反馈线圈匝数
反馈线圈匝数 \( N_b \) 的计算公式为：
\[ N_b = \frac{(V_b + V_D) * N_s}{V_o + V_D} \]
其中，\( V_b \) 是反馈电压。假设 \( V_b = 16.7V \)，则
\[ N_b = \frac{(16.7V + 0.5V) * 5}{12.5V + 0.5V} \approx 6.68 \]
取整后得到反馈线圈匝数为7匝。
#### 十一、计算电流大小
1. **初级电流有效值 \( I_{rms} \):**
\[ I_{rms} = \frac{I_{pk}}{\sqrt{6}} \]
这里 \( I_{rms} \approx 0.8A \)。
2. **次级峰值电流 \( I_{spk} \):**
\[ I_{spk} = \frac{N_p * I_{pk}}{N_s} \]
这里 \( I_{spk} \approx 14A \)。
3. **次级电流有效值 \( I_{srms} \):**
\[ I_{srms} = \frac{I_{spk}}{\sqrt{6}} \]
这里 \( I_{srms} \approx 5.75A \)。
以上就是开关电源变压器设计的关键步骤和计算方法，通过对这些步骤的理解和掌握，可以有效地进行开关电源变压器的设计。
