電源適配器變壓器設(shè)計(jì)（飽和磁心型變換器）

在下列設(shè)計(jì)電源適配器變壓器舉例中，使用矩形磁滯回環(huán)鐵氧體環(huán)形TDKH7A材料（見(jiàn)圖）。由于這種材料的磁滯損耗和剩磁都低，所以在本例的應(yīng)用中具有優(yōu)良的特性。因此，該磁心損耗低、反激作用強(qiáng)、開(kāi)關(guān)性能好。由于該磁心在50kHz頻率下將從一個(gè)飽和方向工作到相反的飽和方向，故需要低損耗材料。因?yàn)閷⑹褂谜麄€(gè)磁滯回環(huán)，所以磁心的損耗將最大。

步驟1，選擇磁心尺寸

對(duì)于這種類(lèi)型的低功率變換器（5~25W），由于磁心尺寸的選擇是從繞組放置方便面不是功率的角度來(lái)考慮，因此磁心尺寸通常大于單獨(dú)滿(mǎn)足功率需求所需的尺寸。再有，由于固有磁心損耗大，如果可避免過(guò)度的溫升則銅損耗必定小。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果使用電流密度大約為150A／cm2的導(dǎo)線，選擇剛好能放置單層原邊繞組的環(huán)形磁心，則其尺寸足以滿(mǎn)足功率需求，這種設(shè)計(jì)方法將用于下面的舉例中。

考慮滿(mǎn)足下列需求的設(shè)計(jì)：

輸出功率10W

輸入電壓48VDC

工作頻率50kHz

輸出電壓12V

輸出電流830mA

 步驟2，計(jì)算輸入功率和電流

輸出功率為10W，假設(shè)效率=70%，則輸入功率為：

輸出采用全波整流，并工作于方波，則輸入電流近似于連續(xù)的直流，可以計(jì)算如下：

步驟3，選擇導(dǎo)線規(guī)格

按電流密度為150A／cm2考慮，從表可知，0.3A的電流需要24號(hào)規(guī)格的導(dǎo)線。因此導(dǎo)線直徑是0.057cm。

注意：雙原邊繞組使用兩根導(dǎo)線，每匝雙絞線占用空間0.114cm

步驟4，計(jì)算原邊匝數(shù)

在這種自激振蕩變換器中，導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間和頻率是由磁心的飽和來(lái)設(shè)定的。由于這是推挽電路，在每半個(gè)周期中，總磁通密度變化量△B必定從一B變到+B。從圖中可查得，對(duì)于H7A材料在80℃時(shí)，飽和磁通密度是3500G。磁偏移是2×3500=7000（700mT）。

磁心的尺寸要求只允許24AWG導(dǎo)線的單層雙線繞組，可是要得到磁心尺寸，有兩個(gè)問(wèn)題要解決。

（1）原邊匝數(shù)要使磁心在48V，10u（50kHx）的半個(gè)周期時(shí)飽和（這與磁心面積成反比）。

（2）24AWG雙線的匝數(shù)以單層繞在磁心上（與中心圓孔周長(zhǎng)成比例，見(jiàn)圖）

本例中不知道中心圓孔周長(zhǎng)與磁心面積之間的關(guān)系，這對(duì)不同的磁心設(shè)計(jì)是不同的，所以使用圖解的解決方案。圖解法的根據(jù)如下

圖具有單層繞組的環(huán)形材料的有效內(nèi)圓周長(zhǎng)

考慮表，假設(shè)從T6-12-3到T14.5-20-7.5的范圍中可以找到合適的磁心。

表中給出了每個(gè)磁心的面積，則工作頻率下每個(gè)磁心飽和所需的匝數(shù)和所加的電壓可以由下式計(jì)算：

式中，Np=原邊匝數(shù)；

Vcc=電源適配器電壓，單位是V;

Ton=導(dǎo)通時(shí)間（1／2周期），單位是μs;

△Bs=磁通密度變化量，單位是T（-B=~+B=）A。=有效磁心面積，單位是mm2從T6-12-3到T14.5-20-7.5的范圍中每個(gè)磁心飽和所需的匝數(shù)由上式計(jì)算，并填入表中

表中給出了中心孔的尺寸，如圖中所示，滿(mǎn)足每個(gè)磁心單層繞制的匝數(shù)可由計(jì)算如下。

攝像機(jī)電源適配器考慮緊密填塞繞組的環(huán)形孔。圖表示，中心孔的直徑與下式?jīng)Q定的匝數(shù)有關(guān)（假設(shè)匝數(shù)多，導(dǎo)線直徑與中心孔直徑相比較?。?

式中，D=中心孔直徑，單位是mm；

dw=導(dǎo)線直徑，單位是mm；

Nw=原邊繞組數(shù)（滿(mǎn)足在磁心上單層繞制）

注意：原邊按雙線繞制，原邊“線匝”N是指一對(duì)導(dǎo)線，最終要將它們分開(kāi)，形成具有中間抽頭的原邊的兩個(gè)繞組。因此，每匝由兩條平行導(dǎo)線組成，所以Np=Nw／2

計(jì)算出每個(gè)磁心（型號(hào)從T6-12-3到T14.5-20-7.5）正好單層繞上雙繞組N的匝數(shù)，并填入表中。

現(xiàn)在畫(huà)出（見(jiàn)圖2。15。6）50kHz時(shí)磁心飽和所需的匝數(shù)與磁心面積的關(guān)系曲線（曲線A）和正好單層纏繞磁心的最大雙繞組匝數(shù)與磁心面積的關(guān)系曲線（曲線B）。這兩條曲線的交叉點(diǎn)給出了最佳磁心面積，由該點(diǎn)可以確定磁心尺寸。

可以看到理想面積在磁心T和T1之間，所以選擇最接近的較大的磁心T10-20-5。磁心面積已在圖中標(biāo)出（水平的虛線）。從磁心面積與A線的交叉點(diǎn)作一垂線，得到磁心飽和所需的原邊匝數(shù)（本例為28匝），磁心面積與B線的交叉點(diǎn)表明了29匝24AWG的導(dǎo)線可以單層繞在該磁心上。

很明顯，匹配點(diǎn)隨磁心結(jié)構(gòu)和導(dǎo)線尺寸的不同而變化，即使總是使用較大的磁心，由于磁心出現(xiàn)飽和，較大磁心的功率損耗將增加（效率降低）。

本例中，選擇磁心T10-20-5，原邊繞組P、P3取28匝。2根24規(guī)格的導(dǎo)線一起纏繞，構(gòu)成雙繞組。

每伏匝數(shù)是

選擇大約5V的反饋電壓以提供足夠的再生反饋，加速開(kāi)關(guān)作用。在本例中，反饋繞組P2取3匝。副邊繞組根據(jù)變壓器正常工作所要求的輸出電壓來(lái)設(shè)計(jì)，在此選用8匝。

圖為單層繞組尋找最佳環(huán)形磁心尺寸的圖解方法

晶體管基極反饋電阻R3的值根據(jù)最大集電極電流和晶體管增益來(lái)選取。發(fā)射極電阻R1和R2的選取要保證在正常滿(mǎn)載條件下晶體管驅(qū)動(dòng)不出現(xiàn)“鉗位”，而是在過(guò)量集電極電流流過(guò)之前出現(xiàn)。較好的折中考慮是在滿(mǎn)載基礎(chǔ)上加上大約30%的電流裕量。記住，發(fā)射極電流是折算過(guò)來(lái)的負(fù)載電流、磁化電流和基極驅(qū)動(dòng)電流的總和，本例中該電阻取值2.2Ω。

攝像機(jī)電源適配器在這種電路結(jié)構(gòu)中，由于是用一個(gè)晶體管的關(guān)斷作用起動(dòng)另一個(gè)晶體管的導(dǎo)通作用，故消除了交叉導(dǎo)通（兩個(gè)功率晶體管同時(shí)導(dǎo)通引起的直通）。同時(shí)，儲(chǔ)存時(shí)間的自動(dòng)調(diào)節(jié)使該電路不具有交叉導(dǎo)通的可能性。這是自激振蕩變換器的一種非常有用的特征。

這種簡(jiǎn)單自激振蕩變換器的頻率會(huì)隨著輸入電壓、磁心溫度（由于高溫時(shí)飽和磁通水平的變化）和負(fù)載的變化面變化。負(fù)載的增加在變壓器電阻和晶體管中引起壓降，使變壓器原邊的有效電壓較低，因此隨著負(fù)載增加頻率將降低。