單片開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

摘要：高頻變壓器是單片開關(guān)電源的核心部件，鑒于這種高頻變壓器在設(shè)計(jì)上有其特殊性，為此專門闡述降低其損耗及抑制音頻噪聲的方法，可供高頻變壓器設(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞：單片開關(guān)電源；高頻變壓器；損耗；音頻噪聲；抑制

1? 引言

??? 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(chǔ)存與傳輸?shù)闹匾考瑔纹_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)。

2? 降低高頻變壓器損耗

2.1? 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。

2.2? 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。

圖1? 導(dǎo)線線徑與開關(guān)頻率的關(guān)系曲線

??? 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：

??? B_AC=(0.4πN_PI_PK_RP)／2δ

式中：B_AC為交流磁通密度，單位是T；

?????????? N_P、I_P分別為初級(jí)匝數(shù)和初級(jí)峰值電流；

????????? K_RP為初級(jí)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，B_AC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。

3? 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?，產(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(jí)開路時(shí)初級(jí)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(jí)繞組的匝數(shù)N_P；

??? 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。

3.1? 減小初級(jí)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(jí)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(jí)匝數(shù)的平方成正比。所選磁芯尺寸應(yīng)足夠大，使初級(jí)繞組能繞成2層甚至不到2層，這樣可將初級(jí)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（Triple Insulated Wire）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AC 3000V的安全電壓），不需要加阻擋層以保證安全邊距，也不用在級(jí)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(jí)和反饋級(jí)，而用三重絕緣線繞制次級(jí)。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。

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(jí)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(jí)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(jí)繞組應(yīng)靠近初級(jí)，以增加耦合，減小磁場泄漏。當(dāng)次級(jí)匝數(shù)很少時(shí)，為了增加與初級(jí)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(jí)也是增加耦合的一種好辦法。

（ a） 次 級(jí) 用 三 重 絕 緣 線

（ b） 全 部 用 漆 包 線

圖 2? 繞 組 的 排 列 方 式

??? 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(jí)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(jí)繞組的始端接漏極，利用一部分初級(jí)繞組起到屏蔽作用，減小相鄰繞組的耦合程度。

4? 抑制高頻變壓器音頻噪聲

4.1? 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 。10 W以 下 單 片 開 關(guān) 電 源 的 音 頻 噪 聲 頻 率 ， 約 為 10 kHz～ 20 kHz。

??? 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”（glass beads）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。

圖3? 高 頻 變 壓 器 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 圖4高 頻 變 壓 器 的 屏 蔽 帶

4.2? 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。

5? 結(jié)語

??? 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。