【導(dǎo)讀】隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，電源系統(tǒng)的小型化、高頻化和大功率化已成為一個(gè)永恒的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。因此，研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統(tǒng)體積、提高電源輸出功率比的關(guān)鍵因素。本文將詳細(xì)的介紹一款集成電路高頻變壓器的設(shè)計(jì)與相關(guān)的制作參數(shù)！
脈沖變壓器也可稱作開關(guān)變壓器，或簡(jiǎn)單地稱作高頻變壓器。在傳統(tǒng)的高頻變壓器設(shè)計(jì)中，由于磁芯材料的限制，其工作頻率較低，一般在20kHz左右。隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，電源系統(tǒng)的小型化、高頻化和大功率化已成為一個(gè)永恒的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。因此，研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統(tǒng)體積、提高電源輸出功率比的關(guān)鍵因素。
隨著應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，開關(guān)電源的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛，但制作開關(guān)電源的主要技術(shù)和耗費(fèi)主要精力就是制作開關(guān)變壓器的部件。
開關(guān)變壓器與普通變壓器的區(qū)別大致有以下幾點(diǎn)：
(1)電源電壓不是正弦波，而是交流方波，初級(jí)繞組中電流都是非正弦波。
(2)變壓器的工作頻率比較高，通常都在幾十赫茲，甚至高達(dá)幾十萬(wàn)赫茲。在確定鐵芯材料及損耗時(shí)必須考慮能滿足高頻工作的需要及鐵芯中有高次諧波的影響。
(3)繞組線路比較復(fù)雜，多半都有中心抽頭。這不僅增大了初級(jí)繞組的尺寸，增大了變壓器的體積和重量，而且使繞組在鐵芯窗口中的分布關(guān)系發(fā)生變化。
圖1開關(guān)電源原理圖
本文介紹了一款如圖1所示的DC—DC變換器，輸入電壓為直流24V，輸出電壓分別為5V及12V的多路直流輸出。要求各路輸出電流都在lA以上，核心器件是美國(guó)Unitrode公司生產(chǎn)的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片UC3842，最高工作頻率可達(dá)200kHz。根據(jù)鋅錳鐵氧體合金的優(yōu)異電磁性能，通過(guò)具體示例介紹工作頻率為100kHz的高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)。
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2變壓器磁芯的選擇與工作點(diǎn)的確定
2.1磁芯材料的選擇
從變壓器的性能指標(biāo)要求可知，傳統(tǒng)的薄帶硅鋼已很難滿足變壓器在頻率、使用環(huán)境方面的設(shè)計(jì)要求。磁芯的材料只有從坡莫合金、鐵氧體材料、鈷基非晶態(tài)合金和超微晶合金幾種材料中來(lái)考慮。坡莫合金、鈷基非晶態(tài)價(jià)格高，約為鐵氧體材料的數(shù)倍，而飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs也不是很高，且加工工藝復(fù)雜。考慮到我們所要求的電源輸出功率并不高，大約為30W，因此，綜合幾種材料的性能比較，我們還是選擇了飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs較高，溫度穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉，加工方便的性價(jià)比較低的鋅錳鐵氧體材料，并選以此材料作為框架的EI28來(lái)繞制本例中的脈沖變壓器。
2.2工作點(diǎn)的確定
根據(jù)相關(guān)資料，EC35輸出功率為50W，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大約在2000Gs左右。買來(lái)的磁芯，由于廠家提供的磁感應(yīng)強(qiáng)度月，值并不準(zhǔn)確，可用圖2所提供的方式粗略測(cè)試一下。將調(diào)壓器接至原線圈，用示波器觀察副線圈輸出電壓波形。將原線圈的輸入電壓由小到大慢慢升高，直到示波器顯示的波形發(fā)生奇變。此時(shí)，磁芯已飽和，根據(jù)公式：
U=4.44fN1Φm可推知在工頻時(shí)的Φm值。要求不高時(shí)，可根據(jù)測(cè)算出的Φm，粗略估算出原線圈的匝數(shù)：
圖2工作點(diǎn)測(cè)試示意圖
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3變壓器主要參數(shù)的計(jì)算
本例中的變換器采用單端反激式工作方式，單端反激變換器在小功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛，且多路輸出較方便。單端反激電源的工作模式有兩種：電流連續(xù)模式和電流斷續(xù)模式。前者適用于較小功率，副邊二極管存在沒(méi)有反向恢復(fù)的問(wèn)題，但MOS管的峰值電流相對(duì)較大;后者M(jìn)OS管的峰值電流相對(duì)較小，但存在副邊二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題，需要給二極管加吸收電路。這兩種工作模式可根據(jù)實(shí)際需求來(lái)選擇，本文采用了后者。
設(shè)計(jì)變壓器時(shí)大多需要考慮下面問(wèn)題：變換器頻率f(H2);初級(jí)電壓U1(V)，次級(jí)電壓U2(V);次級(jí)電流i2(A);繞組線路參數(shù)n1、，n2;溫升τ(℃);繞組相對(duì)電壓降u;環(huán)境溫度τHJ(℃);絕緣材料密度γz(g/cm3)
1)根據(jù)變壓器的輸出功率選取鐵芯，所選取的鐵芯的戶，值應(yīng)等于或大于給定值。
2)繞組每伏匝數(shù)
ST是鐵芯的截面積;kT是窗口的填充系數(shù);
3)初級(jí)繞組電勢(shì)
E1=U1(1-2/u） (2)
4)初級(jí)繞組匝數(shù)
W1=W0El(3)
5)次級(jí)繞組電勢(shì)
E2i=U2i(1+u/2） (4)
6)次級(jí)繞組匝數(shù)
W2i=W0E2i(5)
7)初級(jí)繞組電流
其中，j是電流密度。
詳細(xì)的變壓器設(shè)計(jì)方法與計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，本文參照經(jīng)驗(yàn)公式，依據(jù)下面的步驟設(shè)計(jì)了本例轉(zhuǎn)換器中的高頻變壓器。
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3.1確定變壓器的變比
根據(jù)輸出電壓U0的關(guān)系式
3.2計(jì)算初級(jí)線圈中的電流
已知輸出直流電壓U0=±12V、5V，負(fù)載電流均為I0=lA，則輸出功率
P0=P1+P2+P3=29W
開關(guān)電源的效率η一般在60～90%之間，本例取η=0.65，則輸入功率為
初級(jí)的平均電流為
3.3計(jì)算初級(jí)繞組圈數(shù)N1
初級(jí)繞組的最小電感L1為
3.4計(jì)算次級(jí)繞組圈數(shù)N2
3.6導(dǎo)線線徑的選取
根據(jù)輸入輸出的估算，初線線圈的平均電流值應(yīng)該允許達(dá)到2A。
1)初級(jí)繞組
初級(jí)繞組的線徑可選d=0.80mm，其截面積為0.5027mm2的圓銅線。
2)次級(jí)繞組
次級(jí)繞組的線徑可根據(jù)各組輸出電流的大小，利用原級(jí)相同線徑采用多股并繞的辦法解決。為了方便線圈繞制，也可選用線徑較粗的導(dǎo)線。由于工作頻率較高，應(yīng)考慮集膚效應(yīng)的影響。
3.7線圈繞制與絕緣
繞制開關(guān)變壓器最重要的問(wèn)題是想辦法使初、次級(jí)線圈緊密地耦合在一起，這樣可以減小變壓器漏感，因?yàn)槁└羞^(guò)大，將會(huì)造成較大的尖峰脈沖，從而擊穿開關(guān)管。因此，在繞制高頻變壓器線圈時(shí)，應(yīng)盡量使初、次級(jí)線圈之間的距離近些。
具體可采用以下方法：
(1)雙線并繞法
將初、次級(jí)線圈的漆包線合起來(lái)并繞，即所謂雙線并繞。這樣初、次級(jí)線間距離最小，可使漏感減小到最小值。但這種繞法不好繞制，同時(shí)兩線間的耐壓值較低。
(2)逐層間繞法
為克服并繞法耐壓低、繞制困難的缺點(diǎn)，用初、次級(jí)分層間繞法，即1、3、5行奇數(shù)層繞初級(jí)繞組，2、4、6等偶數(shù)層繞次級(jí)繞組。這種繞法仍可保持初、次級(jí)間的耦合，又可在初、次級(jí)間墊絕緣紙，以提高絕緣程度。
(3)夾層式繞法
把次級(jí)繞組繞在初級(jí)繞組的中間，初級(jí)分兩次繞。這種繞法只在初級(jí)繞組中多一個(gè)接頭，工藝簡(jiǎn)單，便于批量生產(chǎn)。
本例中，為減小分布參數(shù)的影響，初級(jí)采用雙線并繞連接的結(jié)構(gòu)，次級(jí)采用分段繞制，串聯(lián)相接的方式，即所謂堆疊繞法。降低繞組間的電壓差，提高變壓器的可*性。在變壓器的絕緣方面，線圈絕緣應(yīng)盡量選用抗電強(qiáng)度高、介質(zhì)損耗低的復(fù)合纖維絕緣紙，提高初、次級(jí)之間的絕緣強(qiáng)度和抗電暈?zāi)芰Γ纠校驗(yàn)椴簧婕案邏海^緣問(wèn)題不必特殊考慮。
4結(jié)束語(yǔ)
繞制脈沖變壓器是制作開關(guān)電源的重要工作，也是設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中消耗大量時(shí)間和主要精力的工作。變壓器做得好，整個(gè)設(shè)計(jì)與制作工作就完成了70%以上。做得不好，可能就會(huì)出現(xiàn)停振、嘯叫或輸出電壓不穩(wěn)、負(fù)載能力不高等現(xiàn)象。在變壓器的溫升
(1)即使輸入電壓最大，主開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)間最長(zhǎng)，也不至于使變壓器的磁芯飽和;
(2)初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的耦合要好，漏電感要小;
(3)高頻開關(guān)變壓器會(huì)因集膚效應(yīng)導(dǎo)致電線的電阻值增大，因而要減小電流密度。通常，工作時(shí)的最大磁通密度取決于次級(jí)線圈。
(4)一般來(lái)說(shuō)，采用鐵氧體磁芯E128時(shí)，要把Bm控制在3kGs以下。
