单片开关电源高频变压器设计要点

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作者简介     沙占友（1944－），河北科技大学信息学院电子信息工程系教授（享受国务院政府特殊津贴），已出版专著18部，发表学术论文195篇，主要研究方向为数字化测量技术、仪器仪表及特种电源。 摘要：高频变压器是单片开关电源的核心部件，鉴于这种高频变压器在设计上有其特殊性，为此专门阐述降低其损耗及抑制音频噪声的方法，可供高频变压器设计人员参考。 关键词：单片开关电源；高频变压器；损耗；音频噪声；抑制 　 1 引言     单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点，能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源。在1994～2001年，国际上陆续推出了TOPSwitch、TOPSwitch-Ⅱ、TOPSwitch-FX、TOPSwitch-GX、TinySwitch、TinySwitch-Ⅱ等多种系列的单片开关电源产品，现已成为开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。     高频变压器是开关电源中进行能量储存与传输的重要部件，单片开关电源中高频变压器性能的优劣，不仅对电源效率有较大的影响，而且直接关系到电源的其它技术指标和电磁兼容性（EMC）。为此，一个高效率高频变压器应具备直流损耗和交流损耗低、漏感小、绕组本身的分布电容及各绕组之间的耦合电容要小等条件。下面介绍其设计要点。 2 降低高频变压器损耗 2.1 直流损耗     高频变压器的直流损耗是由线圈的铜损耗造成的。为提高效率，应尽量选择较粗的导线，并取电流密度J=4～10A／mm2。 2.2 交流损耗     高频变压器的交流损耗是由高频电流的趋肤效应以及磁芯的损耗引起的。高频电流通过导线时总是趋向于从表面流过，这会使导线的有效流通面积减小，并使导线的交流等效阻抗远高于铜电阻。高频电流对导体的穿透能力与开关频率的平方根成反比，为减小交流铜阻抗，导线半径不得超过高频电流可达深度的2倍。可供选用的导线线径与开关频率的关系曲线如图1所示。举例说明，当f=100kHz时，导线直径理论上可取φ0.4mm。但为了减小趋肤效应，实际可用更细的导线多股并绕，而不用一根粗导线绕制。 1 (原文件名:1.gif) 图1 导线线径与开关频率的关系曲线     高频变压器的磁芯损耗也使得电源效率降低。其交流磁通密度可用下式进行估算：     BAC=(0.4πNPIPKRP)／2δ 式中：BAC为交流磁通密度，单位是T；            NP、IP分别为初级匝数和初级峰值电流；           KRP为初级脉动电流与峰值电流之比；           δ为磁芯的气隙宽度，单位是cm。     欲设计在连续模式下工作的高频变压器，BAC的典型值约为0.04～0.075T。铁氧体磁芯在100kHz时的损耗应低于50mW/cm3。 3 减小高频变压器的漏感     在设计高频变压器时必须把漏感减至最小。因为漏感愈大，产生的尖峰电压幅度愈高，漏极钳位电路的损耗就愈大，这必然导致电源效率降低。对于一个符合绝缘及安全性标准的高频变压器，其漏感量应为次级开路时初级电感量的1％～3％。要想达到1％以下的指标，在制造工艺上将难于实现。减小漏感时可采取以下措施：     1）减小初级绕组的匝数NP；     2）增大绕组的宽度（例如选EE型磁芯，以增加骨架宽度b）；     3）增加绕组的高、宽比；     4）减小各绕组之间的绝缘层；     5）增加绕组之间的耦合程度。 3.1 减小初级绕组匝数并增加高与宽之比     挑选合适的磁芯形状，并且减小初级匝数和增加高与宽之比，能有效地降低漏感。漏感量与初级匝数的平方成正比。所选磁芯尺寸应足够大，使初级绕组能绕成2层甚至不到2层，这样可将初级漏感与分布电容减至最小。不要使用矮胖窗口的磁芯，因其尺寸大，高与宽比值较小、漏感量大，而不宜采用，它对应于POT、RM、PQ型和部分E型磁芯。建议采用瘦高型磁芯，这种磁芯具有较大的高、宽比，它对应于EE、ETD、EI、EC型磁芯。     三重绝缘线（Triple Insulated Wire）是近年来国际上新开发的一种高性能绝缘导线。这种导线有三个绝缘层，中间是芯线。其绝缘层是呈金黄色的聚酰胺薄膜，国外称之为“黄金薄膜”，绝缘层的总厚度仅为20～100μm，却可承受数kV的脉冲高压；三重绝缘线适用于尖端技术、国防领域，制作微型电机绕组、小型化开关电源的高频变压器绕组。其优点是绝缘强度高（任何两层之间均可承受AC 3000V的安全电压），不需要加阻挡层以保证安全边距，也不用在级间绕绝缘胶带层；电流密度大。用它绕制的高频变压器，比用漆包线绕制的体积可减小一半。高频变压器的一种优化设计方案是用普通高强度漆包线绕制初级和反馈级，而用三重绝缘线绕制次级。这样可使漏感量大为减小，高频变压器的体积能减小1/2～1/3。 3.2 绕组排列     为减小漏感，绕组应按同心方式排列，如图2所示。图2（a）中次级采用三重绝缘线绕制；图2（b）中全部用漆包线绕制，但须留出安全边距，且在次级绕组与反馈绕组之间加上强化绝缘层。对于多路输出的开关电源，输出功率最大的那个次级绕组应靠近初级，以增加耦合，减小磁场泄漏。当次级匝数很少时，为了增加与初级的耦合，宜采用多股线平行并绕方式均匀分布在整个骨架上，以增加覆盖面积。在条件允许的情况下，用箔绕组作为次级也是增加耦合的一种好办法。 2-a (原文件名:2.gif) （ a） 次 级 用 三 重 绝 缘 线 2-b (原文件名:3.gif) （ b） 全 部 用 漆 包 线 图 2 绕 组 的 排 列 方 式     在开关电源的工作过程中，绕组的分布电容反复被充、放电，其上的能量都被吸收掉了。分布电容不仅使电源效率降低，它还与绕组的分布电感构成LC振荡器，会产生振铃噪声。初级绕组分布电容的影响尤为显著。为减小分布电容，应尽量减小每匝导线的长度，并将初级绕组的始端接漏极，利用一部分初级绕组起到屏蔽作用，减小相邻绕组的耦合程度。 4 抑制高频变压器音频噪声 4.1 抑制高频变压器的音频噪声     高频变压器EE或EI型磁芯之间的吸引力，能使两个磁芯发生位移；绕组电流相互间的引力或斥力，也 能 使 线 圈 产 生 偏 移 。 此 外 ， 受 机 械 振 动 时 能 导 致 周 期 性 的 形 变 。 上 述 因 素 均 会 使 高 频 变 压 器 在 工 作 时 发 出 音 频 噪 声 。10 W以 下 单 片 开 关 电 源 的 音 频 噪 声 频 率 ， 约 为 10 kHz～ 20 kHz。     为防止磁芯之间产生相对位移，通常以环氧树脂作胶合剂，将两个磁芯的3个接触面（含中心柱）进行粘接。但这种刚性连接方式的效果并不理想。因为这无法将音频噪声减至最低，况且胶合剂过多，磁芯在受机械应力时还容易折断。国外最近采用一种特殊的“玻璃珠”（glass beads）胶合剂，来粘合EE、EI等类型的铁氧体磁芯，效果甚佳。这种胶合剂是把玻璃珠和胶着物按照1：9的比例配制而成的混合物，它在100℃以上的温度环境中放置1h即可固化。其作用与滚珠轴承有某种相似之处，固化后每个磁芯仍能独立地在小范围内产生形变或移位，而总体位置不变，这就对形变起到了抑制作用。用玻璃珠胶合剂粘接的高频变压器内部结构如图3所示。采用这种工艺可将音频噪声降低5dB。 3 (原文件名:4.gif) 图3 高 频 变 压 器 内 部 结 构 图4高 频 变 压 器 的 屏 蔽 带 4.2 高频变压器的屏蔽     为防止高频变压器的泄漏磁场对相邻电路造成干扰，可把一铜片环绕在变压器外部，构成如图4所示的屏蔽带。该屏蔽带相当于短路环，能对泄漏磁场起到抑制作用，屏蔽带应与地接通。 5 结语     单片开关电源高频变压器的设计要点分3个方面：     1）尽量降低高频变压器的损耗；     2）尽量减少高频变压器的漏感；     3）尽量抑制高频变压器的音频噪声。