电源适配器机构规范对变压器尺寸的影响

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电源适配器机构规范对变压器尺寸的影响

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为满足电源适配器绝缘和蠕变距离要求，即满足UL和VDE规格的要求，电源适配器在高频时很难实现更小的变压器尺寸。所规定的蠕变距离为4~8mm（离线应用时原边绕组和副边绕组的最小距离），该值即使在高频变压器中也必须保持不变。这导致很差的窗口利用率和漏电感的增加，在采用小磁心时尤为明显。这些规范使得所要选择的磁心尺寸要远大于只考虑电气和温升要求时所需要的磁心尺寸。

原边绕组匝数的计算
一旦选择好磁心的尺寸大小，那么一定要确定原边绕组的匝数以获得最优效率。为最小化铜损耗，趋向于使用尽可能少的绕组匝数。但是，假设频率和电压一直保持常数，原边绕组匝数越小，磁心材料所需要的磁通密度摆幅越大。在极限情况下，磁心将会饱和。减少绕组匝数和增加磁通密度摆幅所带来的第二个影响是使磁损耗增加到某一点，并且此时磁损耗占绝大部分损耗。
如先前所阐述，在铜损耗和磁损耗相等或几乎相等时，效率才能达到最优。推挽式压器工作在高频时，为达到最优效率的要求，必须确定最大的磁通密度摆幅和最少的原边绕组匝数。此类设计被称为磁损耗限制设计。
在低频范围时，尤其对于单端变换器，磁损耗远小于铜损耗，能限制最少原边绕组数的因素可防止磁心饱和。此类设计被称为饱和限制设计。
无论如何都要避免磁心的饱和。原边绕组在饱和区域时其阻抗将会降低且接近绕组直流绕组阻值。低电阻使得具有破坏性的高电流流入变压器的原边绕组，不可避免地造成原边开关元件的烧毁。
由于开关型变换器原边波形为方波或准方波，根据法拉第定律，变压器标准公式的变换式可将原边或副边绕组的匝数同磁心参数和变压器工作参数联系起来。在这个新公式中，匝数同伏秒值关系如下所示：

其中，N=原边绕组；
V=当开关设备处于导通时期时，加在绕组上的直流电压
t=半周期中导通周期，单位为us
△B=峰值磁通密度，单位为T；
Ac=磁心横截面积，单位为mm2。
注意：在饱和限制设计中，最小磁心面积A应该能防止任何部分磁心的饱和。在磁损耗限制设计中，有效磁心面积A。将能更准确地反映整体磁损耗。
在稳态条件下，每个周期都是相同的，且能根据单独的一个周期来定义工作参数。从上面公式可以看出，原边绕组的匝数N同原边绕组电压V和加在原边绕组上电压的时间t成正比，与磁通密度摆幅△B和磁心横截面积A。成反比。
这样看起来，只要在公式中插入一个恰当的常数，那么确定原边绕组匝数就显得相当容易。但是，在选择常数过程中出现了更复杂的因素。
在一些电压控制变换器电路中，在启动或瞬时操作下，原边绕组的最大电压可能发生在最大的导通时间点。如果采用这类拓扑结构的变换器，为防止磁心的饱和，在利用公式计算原边绕组的匝数时必须要采用最大的原边绕组电压值和最大的导通时间。
如果采用电流控制变换器，则可控制开始时的磁心饱和，且在最大的导通时间点原边电压值最小，从而在计算原边绕组时采用最大的导通时间和最小的原边电压值。这使得利用饱和限制设计法求得的匝数较少。
在一些占空比控制的系统中会用到原边输入电压前补偿、原边绕组的快速限流或者变换比率控制。在这些情况下，与电流型控制相同的条件可以用在变压器设计中。
在推挽式结构的应用中，磁心饱和发生在启动操作时。在前半周期内的磁通摆幅仅仅出现在B／H曲线的第一象限或第三象限。当电源适配器原先是断开的时，磁心恢复到剩余磁通B，点附近。除非事先已做好相应的防范措施，在开始的几个工作周期里限制了磁通量的摆动范围（软启动）或者采用了电流型控制，否则推挽式变压器在开始的半周期内会饱和（即所谓的“磁通双倍效应”）。如果未采用软启动或电流型控制，那么所设计出来的变压器磁通摆幅会减少，但原边绕组匝数会增加。由于推挽式变压器的磁通密度相对较大，为实现效率的提高必须采用恰当的软启动方法、变换比率控制或者是电流控制技术完全以防止磁心在启动期间饱和。
必须记住的是，稳态情况下的推挽式变压器，其磁通密度的摆幅可以从正的第一象限摆动到负的第三象限，相比于单端变压器磁通量摆动范围扩大了一倍。在理想情况下，这样会减少一半的原边绕组匝数，并且能提高变压器的效率。在实际情况中，不大可能利用全部的磁通密度摆幅，因为必须留出一定的裕度供启动或瞬时操作，并且在高频环境下磁通量摆动范围受限于磁损耗。
对于磁损耗受限的应用，采用N27型或类似的变压器铁粉磁心材料和图推荐的磁通密度摆幅，以此作为设计的初始条件。对于其他磁心材料，根据规定的温升来计算总损耗。选定一磁通密度摆幅，其产生的磁损耗为总损耗值的1／2（最优设计中，另外一半损耗为铜损耗）。制造商的磁心材料损耗曲线中将会提供磁损耗和磁通密度摆幅的相关信息，从面可确定最优的磁通密度摆幅。
考虑到这些方面后，将合适的常数带入方程中即可求得原边绕组的匝数

空气净化器电源适配器副边绕组匝数的计算

原边绕组匝数已经求得，副边绕组的匝数可通过原副边绕组电压比值求出。在降压派生型变换器中，副边电压将会大于由占空比所确定的输出电压。且必须考虑到二极管压降和扼流圈压降。这些计算主要为了求出最小的输入电压和最大的脉冲宽度。有时必须对原边绕组作一些调整来消除部分副边绕组，在饱和受限设计当中，原边匝数必须被调整到大于原值的接近的整数匝数。

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| 发布时间：2018.12.10 来源：电源适配器厂家

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