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單片開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

發(fā)布時(shí)間:2010-05-13

中心議題:
  • 如何降低高頻變壓器損耗
  • 如何抑制高頻變壓器音頻噪聲
解決方案:
  • 減小初級繞組的匝數(shù)NP
  • 增大繞組的寬度
  • 增加繞組的高、寬比
  • 減小各繞組之間的絕緣層
  • 增加繞組之間的耦合程度
單片開關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性價(jià)比、最簡外圍電路、最佳性能指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn),能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源。在1994~2001年,國際上陸續(xù)推出了TOPSwitch、TOPSwitchⅡ、TOPSwitchFX、TOPSwitchGX、TinySwitch、TinySwitchⅡ等多種系列的單片開關(guān)電源產(chǎn)品,現(xiàn)已成為開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及開關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路。
  
高頻變壓器是開關(guān)電源中進(jìn)行能量儲存與傳輸?shù)闹匾考?,單片開關(guān)電源中高頻變壓器性能的優(yōu)劣,不僅對電源效率有較大的影響,而且直接關(guān)系到電源的其它技術(shù)指標(biāo)和電磁兼容性(EMC)。為此,一個(gè)高效率高頻變壓器應(yīng)具備直流損耗和交流損耗低、漏感小、繞組本身的分布電容及各繞組之間的耦合電容要小等條件。下面介紹其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
  
降低高頻變壓器損耗
  
1直流損耗
  
高頻變壓器的直流損耗是由線圈的銅損耗造成的。為提高效率,應(yīng)盡量選擇較粗的導(dǎo)線,并取電流密度J=4~10A/mm2。

2交流損耗
  
高頻變壓器的交流損耗是由高頻電流的趨膚效應(yīng)以及磁芯的損耗引起的。高頻電流通過導(dǎo)線時(shí)總是趨向于從表面流過,這會(huì)使導(dǎo)線的有效流通面積減小,并使導(dǎo)線的交流等效阻抗遠(yuǎn)高于銅電阻。高頻電流對導(dǎo)體的穿透能力與開關(guān)頻率的平方根成反比,為減小交流銅阻抗,導(dǎo)線半徑不得超過高頻電流可達(dá)深度的2倍??晒┻x用的導(dǎo)線線徑與開關(guān)頻率的關(guān)系曲線如圖1所示。舉例說明,當(dāng)f=100kHz時(shí),導(dǎo)線直徑理論上可取φ0.4mm。但為了減小趨膚效應(yīng),實(shí)際可用更細(xì)的導(dǎo)線多股并繞,而不用一根粗導(dǎo)線繞制。
  
高頻變壓器的磁芯損耗也使得電源效率降低。其交流磁通密度可用下式進(jìn)行估算:
  式中:BAC為交流磁通密度,單位是T;
  NP、IP分別為初級匝數(shù)和初級峰值電流;
  KRP為初級脈動(dòng)電流與峰值電流之比;
  δ為磁芯的氣隙寬度,單位是cm。
  欲設(shè)計(jì)在連續(xù)模式下工作的高頻變壓器,BAC的典型值約為0.04~0.075T。鐵氧體磁芯在100kHz時(shí)的損耗應(yīng)低于50mW/cm3。
  
減小高頻變壓器的漏感

  
在設(shè)計(jì)高頻變壓器時(shí)必須把漏感減至最小。因?yàn)槁└杏螅a(chǎn)生的尖峰電壓幅度愈高,漏極鉗位電路的損耗就愈大,這必然導(dǎo)致電源效率降低。對于一個(gè)符合絕緣及安全性標(biāo)準(zhǔn)的高頻變壓器,其漏感量應(yīng)為次級開路時(shí)初級電感量的1%~3%。要想達(dá)到1%以下的指標(biāo),在制造工藝上將難于實(shí)現(xiàn)。減小漏感時(shí)可采取以下措施:
  
1)減小初級繞組的匝數(shù)NP;
2)增大繞組的寬度(例如選EE型磁芯,以增加骨架寬度b);
3)增加繞組的高、寬比;
4)減小各繞組之間的絕緣層;
5)增加繞組之間的耦合程度。[page]
  
1減小初級繞組匝數(shù)并增加高與寬之比
  
挑選合適的磁芯形狀,并且減小初級匝數(shù)和增加高與寬之比,能有效地降低漏感。漏感量與初級匝數(shù)的平方成正比。所選磁芯尺寸應(yīng)足夠大,使初級繞組能繞成2層甚至不到2層,這樣可將初級漏感與分布電容減至最小。不要使用矮胖窗口的磁芯,因其尺寸大,高與寬比值較小、漏感量大,而不宜采用,它對應(yīng)于POT、RM、PQ型和部分E型磁芯。建議采用瘦高型磁芯,這種磁芯具有較大的高、寬比,它對應(yīng)于EE、ETD、EI、EC型磁芯。
  
三重絕緣線(TripleInsulatedWire)是近年來國際上新開發(fā)的一種高性能絕緣導(dǎo)線。這種導(dǎo)線有三個(gè)絕緣層,中間是芯線。其絕緣層是呈金黃色的聚酰胺薄膜,國外稱之為“黃金薄膜”,絕緣層的總厚度僅為20~100μm,卻可承受數(shù)kV的脈沖高壓;三重絕緣線適用于尖端技術(shù)、國防領(lǐng)域,制作微型電機(jī)繞組、小型化開關(guān)電源的高頻變壓器繞組。其優(yōu)點(diǎn)是絕緣強(qiáng)度高(任何兩層之間均可承受AC3000V的安全電壓),不需要加阻擋層以保證安全邊距,也不用在級間繞絕緣膠帶層;電流密度大。用它繞制的高頻變壓器,比用漆包線繞制的體積可減小一半。高頻變壓器的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是用普通高強(qiáng)度漆包線繞制初級和反饋級,而用三重絕緣線繞制次級。這樣可使漏感量大為減小,高頻變壓器的體積能減小1/2~1/3。

2繞組排列
  
為減小漏感,繞組應(yīng)按同心方式排列,如圖2所示。圖2(a)中次級采用三重絕緣線繞制;圖2(b)中全部用漆包線繞制,但須留出安全邊距,且在次級繞組與反饋繞組之間加上強(qiáng)化絕緣層。對于多路輸出的開關(guān)電源,輸出功率最大的那個(gè)次級繞組應(yīng)靠近初級,以增加耦合,減小磁場泄漏。當(dāng)次級匝數(shù)很少時(shí),為了增加與初級的耦合,宜采用多股線平行并繞方式均勻分布在整個(gè)骨架上,以增加覆蓋面積。在條件允許的情況下,用箔繞組作為次級也是增加耦合的一種好辦法。
  
在開關(guān)電源的工作過程中,繞組的分布電容反復(fù)被充、放電,其上的能量都被吸收掉了。分布電容不僅使電源效率降低,它還與繞組的分布電感構(gòu)成LC振蕩器,會(huì)產(chǎn)生振鈴噪聲。初級繞組分布電容的影響尤為顯著。為減小分布電容,應(yīng)盡量減小每匝導(dǎo)線的長度,并將初級繞組的始端接漏極,利用一部分初級繞組起到屏蔽作用,減小相鄰繞組的耦合程度。

抑制高頻變壓器音頻噪聲
  
1抑制高頻變壓器的音頻噪聲
  
高頻變壓器EE或EI型磁芯之間的吸引力,能使兩個(gè)磁芯發(fā)生位移;繞組電流相互間的引力或斥力,也能使線圈產(chǎn)生偏移。此外,受機(jī)械振動(dòng)時(shí)能導(dǎo)致周期性的形變。上述因素均會(huì)使高頻變壓器在工作時(shí)發(fā)出音頻噪聲。10W以下單片開關(guān)電源的音頻噪聲頻率,約為10kHz~20kHz。
  
為防止磁芯之間產(chǎn)生相對位移,通常以環(huán)氧樹脂作膠合劑,將兩個(gè)磁芯的3個(gè)接觸面(含中心柱)進(jìn)行粘接。但這種剛性連接方式的效果并不理想。因?yàn)檫@無法將音頻噪聲減至最低,況且膠合劑過多,磁芯在受機(jī)械應(yīng)力時(shí)還容易折斷。國外最近采用一種特殊的“玻璃珠”(glassbeads)膠合劑,來粘合EE、EI等類型的鐵氧體磁芯,效果甚佳。這種膠合劑是把玻璃珠和膠著物按照1:9的比例配制而成的混合物,它在100℃以上的溫度環(huán)境中放置1h即可固化。其作用與滾珠軸承有某種相似之處,固化后每個(gè)磁芯仍能獨(dú)立地在小范圍內(nèi)產(chǎn)生形變或移位,而總體位置不變,這就對形變起到了抑制作用。用玻璃珠膠合劑粘接的高頻變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用這種工藝可將音頻噪聲降低5dB。

2高頻變壓器的屏蔽
  
為防止高頻變壓器的泄漏磁場對相鄰電路造成干擾,可把一銅片環(huán)繞在變壓器外部,構(gòu)成如圖4所示的屏蔽帶。該屏蔽帶相當(dāng)于短路環(huán),能對泄漏磁場起到抑制作用,屏蔽帶應(yīng)與地接通。

單片開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分3個(gè)方面:
  1)盡量降低高頻變壓器的損耗;
  2)盡量減少高頻變壓器的漏感;
  3)盡量抑制高頻變壓器的音頻噪聲。
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