電源適配器變壓器設計（飽和磁心型變換器）

在下列設計電源適配器變壓器舉例中，使用矩形磁滯回環鐵氧體環形TDKH7A材料（見圖）。由于這種材料的磁滯損耗和剩磁都低，所以在本例的應用中具有優良的特性。因此，該磁心損耗低、反激作用強、開關性能好。由于該磁心在50kHz頻率下將從一個飽和方向工作到相反的飽和方向，故需要低損耗材料。因為將使用整個磁滯回環，所以磁心的損耗將最大。

步驟1，選擇磁心尺寸

對于這種類型的低功率變換器（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考慮，因此磁心尺寸通常大于單獨滿足功率需求所需的尺寸。再有，由于固有磁心損耗大，如果可避免過度的溫升則銅損耗必定小。已經發現，如果使用電流密度大約為150A／cm2的導線，選擇剛好能放置單層原邊繞組的環形磁心，則其尺寸足以滿足功率需求，這種設計方法將用于下面的舉例中。

考慮滿足下列需求的設計：

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，計算輸入功率和電流

輸出功率為10W，假設效率=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的直流，可以計算如下：

步驟3，選擇導線規格

按電流密度為150A／cm2考慮，從表可知，0.3A的電流需要24號規格的導線。因此導線直徑是0.057cm。

注意：雙原邊繞組使用兩根導線，每匝雙絞線占用空間0.114cm

步驟4，計算原邊匝數

在這種自激振蕩變換器中，導通持續時間和頻率是由磁心的飽和來設定的。由于這是推挽電路，在每半個周期中，總磁通密度變化量△B必定從一B變到+B。從圖中可查得，對于H7A材料在80℃時，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導線的單層雙線繞組，可是要得到磁心尺寸，有兩個問題要解決。

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

（2）24AWG雙線的匝數以單層繞在磁心上（與中心圓孔周長成比例，見圖）

本例中不知道中心圓孔周長與磁心面積之間的關系，這對不同的磁心設計是不同的，所以使用圖解的解決方案。圖解法的根據如下

圖具有單層繞組的環形材料的有效內圓周長

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

表中給出了每個磁心的面積，則工作頻率下每個磁心飽和所需的匝數和所加的電壓可以由下式計算：

式中，Np=原邊匝數；

Vcc=電源適配器電壓，單位是V;

Ton=導通時間（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的范圍中每個磁心飽和所需的匝數由上式計算，并填入表中

表中給出了中心孔的尺寸，如圖中所示，滿足每個磁心單層繞制的匝數可由計算如下。

攝像機電源適配器考慮緊密填塞繞組的環形孔。圖表示，中心孔的直徑與下式決定的匝數有關（假設匝數多，導線直徑與中心孔直徑相比較小）：

式中，D=中心孔直徑，單位是mm；

dw=導線直徑，單位是mm；

Nw=原邊繞組數（滿足在磁心上單層繞制）

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

計算出每個磁心（型號從T6-12-3到T14.5-20-7.5）正好單層繞上雙繞組N的匝數，并填入表中。

現在畫出（見圖2。15。6）50kHz時磁心飽和所需的匝數與磁心面積的關系曲線（曲線A）和正好單層纏繞磁心的最大雙繞組匝數與磁心面積的關系曲線（曲線B）。這兩條曲線的交叉點給出了最佳磁心面積，由該點可以確定磁心尺寸。

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出（水平的虛線）。從磁心面積與A線的交叉點作一垂線，得到磁心飽和所需的原邊匝數（本例為28匝），磁心面積與B線的交叉點表明了29匝24AWG的導線可以單層繞在該磁心上。

很明顯，匹配點隨磁心結構和導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規格的導線一起纏繞，構成雙繞組。

每伏匝數是

選擇大約5V的反饋電壓以提供足夠的再生反饋，加速開關作用。在本例中，反饋繞組P2取3匝。副邊繞組根據變壓器正常工作所要求的輸出電壓來設計，在此選用8匝。

圖為單層繞組尋找最佳環形磁心尺寸的圖解方法

晶體管基極反饋電阻R3的值根據最大集電極電流和晶體管增益來選取。發射極電阻R1和R2的選取要保證在正常滿載條件下晶體管驅動不出現“鉗位”，而是在過量集電極電流流過之前出現。較好的折中考慮是在滿載基礎上加上大約30%的電流裕量。記住，發射極電流是折算過來的負載電流、磁化電流和基極驅動電流的總和，本例中該電阻取值2.2Ω。

攝像機電源適配器在這種電路結構中，由于是用一個晶體管的關斷作用起動另一個晶體管的導通作用，故消除了交叉導通（兩個功率晶體管同時導通引起的直通）。同時，儲存時間的自動調節使該電路不具有交叉導通的可能性。這是自激振蕩變換器的一種非常有用的特征。

這種簡單自激振蕩變換器的頻率會隨著輸入電壓、磁心溫度（由于高溫時飽和磁通水平的變化）和負載的變化面變化。負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，因此隨著負載增加頻率將降低。