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[变压器] 变压器接入负载后电压下降严重

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楼主
本帖最后由 chenxiaot93@163 于 2019-11-20 18:33 编辑


如上图所示,输入电压为4.5V,楼主需要设计一个全桥电路将DC4.5V转换为100kHz的方波,通过环形磁芯升压,在次级整流滤波再经Buck电路(LM2596-12.0V)转换为12V电压10W功率的直流电压。
由于要求空间紧凑,采用的全桥工作频率为100kHz,先用纳米晶磁环作为变压器磁芯。利用AP法选择合适尺寸的磁芯,根据电磁感应原理计算得到初级匝数为2T,次级匝数为12T,升压比为6。
绕后将磁环接入电路,在空载时Buck电源能稳定输出12V。但是接入51Ω电阻作为测试负载后发现输出电压仅仅1.13V。51Ω的电阻作为负载,12V电压下消耗功率远未达到设计目标10W
现初步怀疑是设计阶段出了问题,楼主在下面贴上实测波形和详细的计算过程,希望有相关经验和知识的朋友能帮助我分析讨论。


分别测试了空载和带负载时磁环初级和次级的波形如下:

这是空载初级电压波形,脉冲平台期大约3V左右,输入电压是4.5V主要损耗应该是全桥的管压降。


空载次级电压波形,经过升压后平台期约11V左右(升压比为6)。
从空载波形上看,变压器初次级电压波形与设计目标基本一致。



这是带载后的初级电压波形,平台期电压接近1V。


这是带载后的次级电压波形,平台期电压5V左右,使LM2596-12无法正常工作。

对比带载前后的变压器波形,变压器未饱和,可以看出带载后变压器的初次级电压下降严重。是由于变压器功率不够?楼主很不解。反复检查了设计和计算过程,并没有发现错误。

下面贴上设计的计算过程:
步骤一:确定变压器设计的电源参数
       输入电压Ui 4.5V
       变压器输出电压 20V
       变压器工作频率fs10kHz
       电源输出功率Pi: 10 W
       变压器工作占空比:50%
       整流二极管压降 1V
       变压器传输功率 :80%
       开关电源功率 :80%
步骤二:确定初次级匝数比
步骤三:确定高频变压器磁芯材料
选择铁基纳米晶磁环作为磁芯材料,饱和磁感应强度Bs=1.25T,顽绞力1.2A/m,初始磁导率80000,电阻率115μΩ·cm.

步骤四:确定工作磁感应强度Bm
确定磁感应强度B需要考虑两个问题:当输入电压达到最高时磁芯不饱和,变压器温升满足要求。通常选择Bm=(1/3~1/2)Bs=1/3*1.2T=0.4T,考虑到剩磁Br,为避免磁芯饱和,Bm取0.2T。

步骤五:确定磁芯尺寸
磁芯制造商在生产磁芯时会将磁芯有效截面积和窗口面积的乘积(面积积)作为工作功率大小的标识。可传递的功率和面积积存在如下关系:
     
式中:Ae为磁芯有效截面积(cm2);Aw为磁芯窗口截面积(cm2);Pt为变压器视在功率(W);ΔB为磁通密度变化量,双极性变换器为ΔB=2Bm(T)(选择了磁芯后可以计算);f为开关工作频率(Hz);K为近似系数(正激、推挽中心抽头变压器取K=0.014;全桥、半桥变压器取K=0.017)。

计算变压器传输效率为 ,

将数据代入
     

选择King magnetics公司生产的30*20*10纳米晶磁环,其有效截面积Ae=0.47 cm2,窗口面积Aw约3.14 cm2。AP=Ae×Aw=1.476 cm4,远远大于所需传输功率对应的AP值。

步骤六:确定原边和副边的绕组匝数
计算初级线圈匝数

式中△B为一个周期内磁感应强度变化大小(T),△B=2Bm;Ae为磁芯有效截面积(cm2);fs为变压器工作频率(Hz)。
代入数据,算的

取副边匝数 为12T,   
         取原边匝数 2T
步骤七:校验△B的可行性



由于线圈匝数少,楼主在计算过程中没有考虑绕制导线的内阻,原型机只采用了普通铜导线作为绕组材料,应该不会是次级线圈内阻大致的电压跌落。如图:


直观理解,接入空载和接入负载的区别在于变压器次级线圈电流从0变为一定值,次级电流产生的磁通会抵消一部分的初级线圈磁通。
根据公式可以推断初级线圈中的△B过小导致的电压下降,难道所选择的磁性有效截面积Ae过大?但是他是根据公式计算,线圈匝数、Ae、△B应该根据设计目标互相形成约束才对,或者是设计参数和实际制作上有何差别?
本人第一次设计变压器,想能向有经验的朋友虚心请教探讨学习。

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全桥.PNG

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评论

xch 2019-11-22 15:01 回复TA
@chenxiaot93@163 :Operating frequency range 40 to 1000 Hz. 哪里能用? 你这个设计方案应该推倒重做。 没法把一头猪改造成飞龙。别再纠结于局部了。 
chenxiaot93@163 2019-11-22 14:37 回复TA
@xch :您可能讲到关键了,我用肖特基打一个试试。目前只用了kbpc610整流桥做整流,这是一个普通的整流桥,没有看到反向恢复时间这一参数。但是在空载是测量整流桥输出电压正常,是否能说明可用? 
xch 2019-11-21 17:10 回复TA
用啥整流?高频能用? 
xch 2019-11-21 17:06 回复TA
楼主说"由于要求空间紧凑"与事实出入太大了。估计楼主住豪宅的。这空间都算紧凑。 
沙发
| 2019-11-20 18:45 | 只看该作者
这么复杂的电路起码搞个几千瓦才够意思吧。。。

评论

chenxiaot93@163 2019-11-21 09:12 回复TA
您觉得问题可能出在哪里? 
chenxiaot93@163 2019-11-20 19:00 回复TA
电路结构很简单,只是把设计文档看起来有点长。。。 
板凳
| 2019-11-20 18:49 | 只看该作者
4.5V电源用的电容是450V的?这么有钱?
地板
 楼主 | 2019-11-20 18:59 | 只看该作者
戈卫东 发表于 2019-11-20 18:49
4.5V电源用的电容是450V的?这么有钱?

哈哈,之前做过一块市电整流后座全桥母线电压的板子,直接把整流桥短路掉接4.5V了
5
| 2019-11-20 20:16 | 只看该作者
你这是在学校做的试验板吧,用这么好的材料,若是在工厂里面肯定是不允许的了,实验用的板子,很不错了。

评论

chenxiaot93@163 2019-11-21 09:12 回复TA
老哥你觉得问题出在哪里? 
6
 楼主 | 2019-11-20 21:19 | 只看该作者
ton223 发表于 2019-11-20 20:16
你这是在学校做的试验板吧,用这么好的材料,若是在工厂里面肯定是不允许的了,实验用的板子,很不错了。 ...

是的,在学校里。
7
| 2019-11-21 09:37 | 只看该作者
不用看,MOS管推的,空载电压变压器必须4.5*2V。才3V*2这是不可以的,空载那有什么压降。
至于原因,或者MOS推动严重不足,或者输出带直流,怎么算都没用,直接变压器过载了。
你用个合适的电容,串联到变压器初级吧。
8
| 2019-11-21 09:43 | 只看该作者
问题一,你的初级波形其实已经表现出来了 -- MOS管压降比较大,可能是导通内阻偏大,也可能是导线、连接点电阻偏大
问题二,初级波形里面的毛刺是什么导致的, 是死区?一个微秒宽的死区??
      三,初级、次级的电流、或者电流波形测量过没有?能不能测量到?
9
| 2019-11-21 10:34 | 只看该作者
导线的胶皮太厚了,变成漏感多

评论

chenxiaot93@163 2019-11-22 14:38 回复TA
由于实验室里没有漆包线,采用了多心铜线。改用漆包线试试 
10
| 2019-11-21 10:34 | 只看该作者
能量就不能够从初级传递给次级
11
| 2019-11-21 13:57 | 只看该作者
tianxj01 发表于 2019-11-21 09:37
不用看,MOS管推的,空载电压变压器必须4.5*2V。才3V*2这是不可以的,空载那有什么压降。
至于原因,或者MO ...


你说的是这个意思吗?
12
| 2019-11-21 14:21 | 只看该作者
你测一下电源的输出功率. 确认一下当前效率是多少, 你那个磁环用多股铜线?如果是漆包线建议按9楼说的去搞试试效果能变化多少
13
| 2019-11-21 16:06 | 只看该作者
叶春勇 发表于 2019-11-21 13:57
你说的是这个意思吗?

对头..............................
就空载,电压才这么点幅度还MOS管桥,怎么可能呢?

14
| 2019-11-21 16:51 | 只看该作者
直觉MOSFET驱动不足。
你用啥驱动4路MOSFET?

评论

chenxiaot93@163 2019-11-22 14:59 回复TA
用了两个IR2100,看驱动波形应该充分驱动了 
15
| 2019-11-21 17:56 | 只看该作者
叶春勇 发表于 2019-11-21 13:57
你说的是这个意思吗?

楼主没有画前面信号处理,非常担心可能引入的占空比不对称导致直流输出。
更何况,就一个简单的变压器,MOS驱动再差,也不会电压跌这么多吧。
可是如果直流导致,则就比较好理解了不是?毕竟它变压器只穿了1圈,这直流电阻可以想象有多小。至少mΩ级别吧。这时候,管子导通电阻产生的电压跌落就明显了哦。
16
| 2019-11-22 10:01 | 只看该作者
哪个地方出问题?你可以一级一级查,比如:只查变压器的带载能力,可以把桥堆以后的拿掉,单接一个负载。我认为你还是变压器的设计有问题。

评论

chenxiaot93@163 2019-11-22 15:00 回复TA
提供了一个很好的思路,感谢老铁 
17
 楼主 | 2019-11-22 14:31 | 只看该作者
tianxj01 发表于 2019-11-21 17:56
楼主没有画前面信号处理,非常担心可能引入的占空比不对称导致直流输出。
更何况,就一个简单的变压器,M ...


您好,上图是3525芯片输出的互补信号,死区在控制在2μs左右。
看上图两路信号应该是比较互补的,理论上不会使变压器发生严重严重偏磁吧。您说的加上隔直电容的方案需要测试,确实很对电路都在初级线圈传入电容隔直。
另外,您说的变压器过载可以理解为饱和吗?由于我用一个带电流和电压示数的稳压源作为母线电源,可以观测到测试过程中的电流变化,加上负载大概只有0.6A,也就是初级输入的功率只有2.7W(0.6*4.5),与我设计功率相差盛大
是否可以判断变压器没有过载?初级电压没有下降,所需功率小,可以理解为整个负载所消耗的功率很小,但从buck电路来看,空载12V正常输出,加载电压严重下降,又感觉输出功率不够。不知道该怎么理解。
感谢指点。
18
| 2019-11-22 14:57 | 只看该作者
本帖最后由 tianxj01 于 2019-11-22 14:59 编辑
chenxiaot93[url=home.php?mod=space&uid=20355]@163 发表于 2019-11-22 14:31[/url]
您好,上图是3525芯片输出的互补信号,死区在控制在2μs左右。
看上图两路信号应该是比较互补的,理论上 ...

如果加上负载,功率才2.7W,则分析可能是激磁电感太小,造成激磁电流偏大,由于激磁电流太大,会造成严重压降,同时呢,由于过大的激磁电流,是会复位到电源,只是产生多余的损耗而已,同时据我所知,铁基材料磁环,用在100KHz级别频率过高了,还不如常规铁氧体。,建议换变压器材料。
算一下,你准备输出功率为10W,则等效半边输入电流=10/4.5=2.2A  算点效率,给个2.5A吧,则等效激磁电流取1/10比较合适,算上斜波,则空载激磁电流峰值设计为0.5A,高频变压器次级半组的电感量=45uH。
这么频率,这个功率,一个EE19就够你折腾了,你做一个电感量45uH。可以适当多绕几匝,通过一个10丝+的小气隙来完成电感量控制。基本上不需要验算匝数、最高磁感应强度,这个数值应该很保险了。
考虑到线路不可能做的很对称,隔直电容还是有一个比较好,一个良好的设计,哪怕是为了防范,加上这个都是必须的。
原边波形看过了,死区可以在原边波形看到,这个应该是没什么问题的。
顺便提一个建议,4.5V输入条件下,你为什么不考虑用推挽的ZVS线路来做。效率高,输出功率不会比你这样全桥差。管子还小2个,关键是你输出有2次稳压,这个在ZVS输出条件下很合用呢。
19
| 2019-11-22 16:07 | 只看该作者
TI 推荐的方案: webench_design_68837_5_924188081.pdf (178.22 KB, 下载次数: 4)





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评论

chenxiaot93@163 2019-11-25 10:02 回复TA
@xch :感谢哈,webench真是个好东西 
xch 2019-11-22 16:12 回复TA
TI的图纸漏了CS 连接 
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