LED高频变压器驱动设计的探讨

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LED高频变压器驱动设计的探讨

  随着LED照明越来越广泛的应用,用原有的开关电源设计方式来设计变压器已不能满足现在的要求,人们对LED照明灯具的体积,成本等提出更加严格的要求。为了适应这种需求,人们开始研究新型的新型的电源设计。反激式电源变换器的优势是成本,简单和容易得到多路输出,而变换器设计的关键之一就是变压器的设计,在此我们所说的变压器不是真正意思上的变压器,而更多的是一个能量存储装置。反激式变压器在初级导通期间,能量存储在磁芯中,关键期间存储的能量被释放出来到输出端,初次级的电流不是同时流动的。

  1 引言

  目前比较流行的低成本,超小占用空间方案的设计基本都是采用PSR原边反馈反激式。通过原边反馈稳压省掉电压反馈回路(如TL431和光耦等)和较低的EMC辐射省掉Y电容,不仅省成本而且省空间,得到很多电源工程师采用,这是一种新型的电源设计方式。

  2 名词解释

  2.1 初始磁导率μi

  初始磁导率是磁芯材料的磁导率(B/H)在磁化曲线始端的极限值,即μi=(1/μ0)limh->0B/H。

  式中μ0为真空磁导率(4πX10-7 H/m);

  H 为磁场强度(A/m);

  B 为磁通密度(T)。

  2.2 有效磁导率μe

  在闭合磁路中,如果漏磁可忽略,可以用有效磁导率来表征磁芯的性能。

  μe=(L/μ0N2)·le/Ae

  式中 L为装有磁芯的线圈的电感量(H);

  N为线圈匡数;

  Le为有效磁路长度(m);

  Ae为有效截面积(m2)。

  2.3 饱和磁通密度Bs(T)

  磁化到饱和状态的磁通密度。见图1.

  2.4 剩余磁通密度Br(T)

  从饱和状态去除磁场后,剩余的磁通密度。见图1.

  2.5 电阻率ρ(Ω/m)

  具有单位截面积和单位长度的磁芯材料的电阻。

  2.6 密度d(kg/m3)

  单位体积材料的重量,即d=W/V

  式中 W为磁芯的重量(kg);

  V为磁芯的体积(m3)。

  2.7 功率损耗Pc(kW/m3 、W/kg)

  磁芯在高磁通密度下得单位体积损耗或者单位重量损耗。该磁通密度可表示为Bm=E/(4.44fNAe)。

  式中 E为施加在线圈上得电压有效值(v);

  Bm为磁通密度的峰值(T);

  f为频率(HZ);

  N为线圈匡数;

  Ae为有效截面积(m2)。

  2.8 电感因数AL (nH/N2)

  电感因数定义为具有一定形状和尺寸的磁芯上每一匡线圈产生的电感量,即AL=L/N2

  式中 L为装有磁芯的线圈的电感量(H);

  N 为线圈匡数。

  3 变压器设计

  我们举例说明:

  输入电压90~264V,输出电压32V,输出电流0.64A。设计合适的变压器,同时,尽量采用较经济的额定值为600V的MOSFET.

  3.1 挑选磁芯

  考虑到成本因素,在此选择PC40材质,查PC40资料得:

  Bs=0.39T Br=0.06T

  ΔB=Bs-Br=0.39T-0.06T=0.33T

  为了防止磁芯的瞬间出现磁饱和,取0.75*ΔB=0.25T(0.25T)

  用AP法计算磁芯:

  AP=[(Po/n+Po)*1000]/(2*ΔB*Fs*1000*J*Ku)

  AP=[(32*0.64/0.9+32*0.64)*1000]/(2*0.25*50*1000*600*0.2)

  =0.1801458CM4

  根据以上结果,选择磁芯为EE22。

  3.2 确定次级线径及圈数

  从变压器最小漏感设计入手,已知输出电路为32V,0.64A。铜线电流密度选600A/cm2,次级铜线直径为SQRT(0.64/6/3.14)*2=0.3685mm,约为0.4mm.采用三层绝缘线实际直径为0.6mm。

  通过测试或者查询BOBBIN得知,EE22的幅宽为8mm,计算得一层圈数13T,为了减少漏感把次级设计为1整层,所以圈数位13的倍数。

  我们选2层,因考虑到每层不均匀,所以少一圈。即25T。

  3.3 确定初级线径及圈数

  因我们所选MOSFET的耐压为600V,考虑到漏感峰值,需留出50-100V的电压余量,所以反射电压需控制在100V以内。

  依据(Vout+Vf)*n<100;即:n<100/(32+1),n=3.,取n=3   得到初级匡数为NP=25*3=75T;   代入上式检验:(Vout+Vf)*(NP/NS)<100,   即得出:(32+1)*(75/25)=33<100;成立;   确定了NP=75T,假设分为2层来绕,因多层考虑到出现间隙和次级上面的不均匀,至少留1圈间隙。所以选74T,   得初级铜线可用外径为8/(74/2+1)=0.21mm.,   查表为铜线直径为0.15mm.   初级峰值最大电压:   Ipk=2*Pout/(Vin_min*Dmax*η)=1.025664   Dmax=(Np/Ns)*(Vout+Vf)/(Vin_min+Np/Ns)(Vout+Vf)=0.479   Vin_min=Vac_min*1.414-20=107V   根据电流密度选600A/mm2,至少要0.17mm.   综合考虑所以选0.38mm线径,绕4层。   3.4 VCC圈数和线径   VCC电压值12V,考虑到各种因素,我们选择15V左右,得到:   Nv/Vnv=Ns/(Vout+Vf),   得:Nv=11.2T,选择12T。   由于PSR采用Nv线圈稳压,所以Nv的漏感也需要控制,采用0.2mm的线径均匀绕置整层。   3.5 变压器绕线顺序,采用三明治绕法   因要工作在断续模式,且无Y电容,因此DI/DT比较大,变压器磁芯气隙会产生杂散磁通导致线圈测试涡流,影响EMC噪声。所以需线在BOBBIN上采用0.1mm直径的铜线绕满一层作为屏蔽,且一端接到Nv的地线。   绕完屏蔽后,绕TAPE1层,绕1/2初级,37T,2层,绕TAPE1层;在绕次级25T,正好2层,绕TAPE1层,绕辅助绕组12T, 均匀绕置1层,再绕1/2初级,37T,2层。安规考量飞线输出飞线套铁氟龙套管。   3.6 计算电感量   前面我们提到,我们用得是EE22的变压器,查表得:Ap为0.159cm4.   根据   Fsw=Pt*104/2*ΔB*J*Ku*Ap,得到实际使用频率为30.5KHZ。   最大电感量Lp=2*Pout/Ipk2*Fsw=1.0052mH.不同的使用环境,磁饱和度不一样,推荐使用0.8-0.9之间,这边选用感量为0.8mH.   还有一种办法就是输入最低电压,慢慢加载,观察CORE有没有饱和,一直加到指定的负载量,这时测试的感量为最大感量。   经过验证,以上变压器的参数合适BOBBIN的绕线空间。   3.7 测试参数   整个驱动器的效率>0.85;

  4 结束语

  LED驱动器的关键部分是变压器,随之人们对LED灯具的认可,LED灯具采用高亮度的LED芯片,再加上可靠的LED驱动电源,才能确保产品质量满足社会的需要。

作者:|2016-07-06T10:56:58+00:002016.07.06|知识中心|0 评论

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