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電源用絶縁トランスの1次巻き数の計算と磁束密度


フライバック・コンバータの絶縁トランス設計

2次巻き数と巻き線比，そして線材選定と巻き数の調整

図1　電流容量，巻き数，線径を満たした安全で効率的なフライバック・コンバータ用の絶縁トランスの設計事例．画像クリックで記事を読む〈著 並木 精司〉

1次巻き数の計算と磁束密度の確認

フライバック・コンバータの絶縁トランスでは，1次巻き数$N_P$を決定することが重要です。必要な1次インダクタンス$L_P$、最大ピーク電流$I_{peak}$、コアの有効断面積$A_E$、最大磁束密度$\Delta B_{max}$を考慮して計算します。今回の設計では$L_P$=33μH，$I_{peak}$=2.4A，$A_E$=0.125cm2，$\Delta B_{max}$=295mTとしました

計算結果から$N_P$は21.5ターンですが，切りよく20ターンとしています。定格出力3W時の1次側電流ピーク1.6864Aに対しても余裕があり，過渡的な負荷変動や制御IC LT1172の電流リミットのばらつきに対応可能です。内蔵トランジスタによる過電流保護機能により，安全性も確保されています

2次巻き数と巻き線比

1次巻き数$N_P$=20ターンを決定後，巻き線比1:2に基づき2次巻き数$N_S$=40ターンとしました。これにより出力電圧の要求に合致する設計が可能です。巻き線の結合を高めるため，1次巻き線を2次巻き線の半分で挟むサンドイッチ構造を採用します

線材選定と巻き数の調整

巻き線に流れる電流の実効値$I_{RMS}$を考慮して，必要な電線断面積$S$を計算しました。1次側$I_{P RMS}$=1.496A，2次側$I_{S RMS}$=0.6609Aで，電流密度σ=8A/mm2と仮定すると，1次側断面積$S_P$=0.187mm2，2次側$S_S$=0.0826mm2となります

断面積から電線径を求めると，1次側$D_P$=0.488mm，2次側$D_S$=0.324mmです。ボビン幅6.88mmに収めるため，線径0.344mm以下のポリウレタン・エナメル線を選択しました。1次側は?0.29の電線を2本並列に巻き，2次側は?0.29の電線を直列に20ターン巻きます

巻き線仕様の整理

  1. 1次巻き線：20ターン，?0.29，ポリウレタン・エナメル線2本パラ
  2. 2次巻き線：20ターン，?0.29，ポリウレタン・エナメル線，直列，計40ターン
  3. 1次インダクタンス：33μH±10％
  4. 巻き線構造：1次巻き線を2次巻き線の半分で挟むサンドイッチ構造

以上により，フライバック・コンバータ用の絶縁トランスにおいて，必要な電流容量，巻き数，線径を満たした安全で効率的な設計が確定しました

〈著：ZEPマガジン〉

著者紹介

  • 並木 精司
  • 1967年 タムラ製作所に入社．電源トランスの設計，スイッチング電源の設計，海外工場の責任者などを経て定年後も63歳まで海外拠点でスイッチング電源やACアダプタの開発のサポート．現在はパワーアシストテクノロジーに在籍し，各種電源装置の開発に従事．

著書

  1. 低雑音＆高効率！LLC絶縁トランスの定数設計法，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. 高速パワー素子GaN搭載 30W小型充電器の分解レポート，トランジスタ技術2020年10月号，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ロスレス＆雑音レス！スイッチング電源「LLC」のパソコン設計術，トランジスタ技術2018年5月号，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. 世界最小＆最軽量！65WノートPC用ACアダプタ DART 実験大解剖，2018年2月号，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. 粗悪品と優良品を見極めろ!4種類のiPhone充電用ACアダプタ，トランジスタ技術2016年3月号，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. 出力3.3～24V/0～0.3AのハンディUSB実験用電源，トランジスタ技術2014年12月号～2015年3月号，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

  1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD/KIT］ ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD］Linux搭載USBマルチ測定器 Analog Discovery Proで作る私の実験室，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［動画］初めての電源・アナログ回路設計［DC-DC コンバータの製作］，ZEPエンジニアリング株式会社．
  7. ［YouTube］電子回路の素［トランジスタ編］，ZEPエンジニアリング株式会社．
  8. ［YouTube］高校数学からはじめる「ベクトル解析」，ZEPエンジニアリング株式会社．