電源適配器機構規范對變壓器尺寸的影響

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電源適配器機構規范對變壓器尺寸的影響

品字尾電源適配器機構規范對變壓器尺寸的影響
為滿足電源適配器絕緣和蠕變距離要求，即滿足UL和VDE規格的要求，電源適配器在高頻時很難實現更小的變壓器尺寸。所規定的蠕變距離為4~8mm（離線應用時原邊繞組和副邊繞組的最小距離），該值即使在高頻變壓器中也必須保持不變。這導致很差的窗口利用率和漏電感的增加，在采用小磁心時尤為明顯。這些規范使得所要選擇的磁心尺寸要遠大于只考慮電氣和溫升要求時所需要的磁心尺寸。

原邊繞組匝數的計算
一旦選擇好磁心的尺寸大小，那么一定要確定原邊繞組的匝數以獲得最優效率。為最小化銅損耗，趨向于使用盡可能少的繞組匝數。但是，假設頻率和電壓一直保持常數，原邊繞組匝數越小，磁心材料所需要的磁通密度擺幅越大。在極限情況下，磁心將會飽和。減少繞組匝數和增加磁通密度擺幅所帶來的第二個影響是使磁損耗增加到某一點，并且此時磁損耗占絕大部分損耗。
如先前所闡述，在銅損耗和磁損耗相等或幾乎相等時，效率才能達到最優。推挽式壓器工作在高頻時，為達到最優效率的要求，必須確定最大的磁通密度擺幅和最少的原邊繞組匝數。此類設計被稱為磁損耗限制設計。
在低頻范圍時，尤其對于單端變換器，磁損耗遠小于銅損耗，能限制最少原邊繞組數的因素可防止磁心飽和。此類設計被稱為飽和限制設計。
無論如何都要避免磁心的飽和。原邊繞組在飽和區域時其阻抗將會降低且接近繞組直流繞組阻值。低電阻使得具有破壞性的高電流流入變壓器的原邊繞組，不可避免地造成原邊開關元件的燒毀。
由于開關型變換器原邊波形為方波或準方波，根據法拉第定律，變壓器標準公式的變換式可將原邊或副邊繞組的匝數同磁心參數和變壓器工作參數聯系起來。在這個新公式中，匝數同伏秒值關系如下所示：

其中，N=原邊繞組；
V=當開關設備處于導通時期時，加在繞組上的直流電壓
t=半周期中導通周期，單位為us
△B=峰值磁通密度，單位為T；
Ac=磁心橫截面積，單位為mm2。
注意：在飽和限制設計中，最小磁心面積A應該能防止任何部分磁心的飽和。在磁損耗限制設計中，有效磁心面積A。將能更準確地反映整體磁損耗。
在穩態條件下，每個周期都是相同的，且能根據單獨的一個周期來定義工作參數。從上面公式可以看出，原邊繞組的匝數N同原邊繞組電壓V和加在原邊繞組上電壓的時間t成正比，與磁通密度擺幅△B和磁心橫截面積A。成反比。
這樣看起來，只要在公式中插入一個恰當的常數，那么確定原邊繞組匝數就顯得相當容易。但是，在選擇常數過程中出現了更復雜的因素。
在一些電壓控制變換器電路中，在啟動或瞬時操作下，原邊繞組的最大電壓可能發生在最大的導通時間點。如果采用這類拓撲結構的變換器，為防止磁心的飽和，在利用公式計算原邊繞組的匝數時必須要采用最大的原邊繞組電壓值和最大的導通時間。
如果采用電流控制變換器，則可控制開始時的磁心飽和，且在最大的導通時間點原邊電壓值最小，從而在計算原邊繞組時采用最大的導通時間和最小的原邊電壓值。這使得利用飽和限制設計法求得的匝數較少。
在一些占空比控制的系統中會用到原邊輸入電壓前補償、原邊繞組的快速限流或者變換比率控制。在這些情況下，與電流型控制相同的條件可以用在變壓器設計中。
在推挽式結構的應用中，磁心飽和發生在啟動操作時。在前半周期內的磁通擺幅僅僅出現在B／H曲線的第一象限或第三象限。當電源適配器原先是斷開的時，磁心恢復到剩余磁通B，點附近。除非事先已做好相應的防范措施，在開始的幾個工作周期里限制了磁通量的擺動范圍（軟啟動）或者采用了電流型控制，否則推挽式變壓器在開始的半周期內會飽和（即所謂的“磁通雙倍效應”）。如果未采用軟啟動或電流型控制，那么所設計出來的變壓器磁通擺幅會減少，但原邊繞組匝數會增加。由于推挽式變壓器的磁通密度相對較大，為實現效率的提高必須采用恰當的軟啟動方法、變換比率控制或者是電流控制技術完全以防止磁心在啟動期間飽和。
必須記住的是，穩態情況下的推挽式變壓器，其磁通密度的擺幅可以從正的第一象限擺動到負的第三象限，相比于單端變壓器磁通量擺動范圍擴大了一倍。在理想情況下，這樣會減少一半的原邊繞組匝數，并且能提高變壓器的效率。在實際情況中，不大可能利用全部的磁通密度擺幅，因為必須留出一定的裕度供啟動或瞬時操作，并且在高頻環境下磁通量擺動范圍受限于磁損耗。
對于磁損耗受限的應用，采用N27型或類似的變壓器鐵粉磁心材料和圖推薦的磁通密度擺幅，以此作為設計的初始條件。對于其他磁心材料，根據規定的溫升來計算總損耗。選定一磁通密度擺幅，其產生的磁損耗為總損耗值的1／2（最優設計中，另外一半損耗為銅損耗）。制造商的磁心材料損耗曲線中將會提供磁損耗和磁通密度擺幅的相關信息，從面可確定最優的磁通密度擺幅。
考慮到這些方面后，將合適的常數帶入方程中即可求得原邊繞組的匝數

空氣凈化器電源適配器副邊繞組匝數的計算

原邊繞組匝數已經求得，副邊繞組的匝數可通過原副邊繞組電壓比值求出。在降壓派生型變換器中，副邊電壓將會大于由占空比所確定的輸出電壓。且必須考慮到二極管壓降和扼流圈壓降。這些計算主要為了求出最小的輸入電壓和最大的脈沖寬度。有時必須對原邊繞組作一些調整來消除部分副邊繞組，在飽和受限設計當中，原邊匝數必須被調整到大于原值的接近的整數匝數。

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