淺談脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器

　　在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，常常會(huì)用到驅(qū)動(dòng)變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離、浮地、增大驅(qū)動(dòng)能力等目的，是電源中非常重要的一部分，如果設(shè)計(jì)不好直接決定整個(gè)項(xiàng)目的成敗，以及電源產(chǎn)品的品質(zhì)好壞。

　　1、采用驅(qū)動(dòng)變壓器的原因

　　在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中有較常用的電路拓?fù)洌和怛?qū)BUCK、外驅(qū)BOOST、推挽、半橋、全橋、雙管反激、雙管正激等，這些電路拓?fù)渲械拈_(kāi)關(guān)管需要浮地、或互補(bǔ)、或同頻同相同幅驅(qū)動(dòng)，在手頭只有較常規(guī)的單輸出PWM控制芯片，又不想再增加成本引進(jìn)新驅(qū)動(dòng)芯片的情況下，采用驅(qū)動(dòng)變壓器是最好的選擇，它不僅用作開(kāi)關(guān)電源半導(dǎo)件元器件的驅(qū)動(dòng)電脈沖(如功率MOSFET或IGBT)，還可用作電壓隔離和阻抗匹配。此外，在二次側(cè)同步整流管的驅(qū)動(dòng)電路也常常選擇使用驅(qū)動(dòng)變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)他激驅(qū)動(dòng)控制。其實(shí)大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源加驅(qū)動(dòng)變壓器的最主要目的是為了隔離和實(shí)現(xiàn)浮地，上管跟下管不共地時(shí)，IC只能直接推動(dòng)下管，上管就必須隔離驅(qū)動(dòng)了。其實(shí)，現(xiàn)在也有很多專(zhuān)用的隔離驅(qū)動(dòng)IC，也可以獲得和驅(qū)動(dòng)變壓器相近的效果，但是這種集成的隔離驅(qū)動(dòng)IC有些明顯的缺陷，就是導(dǎo)通和關(guān)斷有很大的延遲、需要增加額外的驅(qū)動(dòng)電源、以及設(shè)計(jì)難度大。而驅(qū)動(dòng)變壓器則不同，這種變壓器耦合方式的優(yōu)點(diǎn)是延遲非常低，無(wú)需增加額外的驅(qū)動(dòng)電源，而且通過(guò)匝比設(shè)計(jì)，還可以在很高的壓差下工作。相比于專(zhuān)用的隔離驅(qū)動(dòng)IC，這種變壓器驅(qū)動(dòng)可設(shè)計(jì)的方式更多樣，可以隨時(shí)調(diào)整。

　　圖1 驅(qū)動(dòng)變壓器電路圖

　　2、磁芯的選擇

　　典型的脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器一般多是用鐵氧體磁心設(shè)計(jì)制造的，這樣可以降低成本。高頻條件下鐵氧體具有很高電阻率，渦流損耗小，價(jià)格低，是高頻變壓器磁芯的首選，缺點(diǎn)是磁導(dǎo)率通常較低。常用磁心的外形大多數(shù)是EE、EER、ETD型。它們都是由“E”型磁心和相應(yīng)的骨架組成。這些骨架可以采用表面安裝法或通孔安裝法裝配。在有些情況下，也采用環(huán)形磁心設(shè)計(jì)制作驅(qū)動(dòng)變壓器，這樣的優(yōu)點(diǎn)是漏感很小，但磁環(huán)的繞制工藝比較麻煩由于是采用小磁環(huán)，所以必須要人工繞制，成本會(huì)增加。所以不同應(yīng)用者：有的看性能、有的看價(jià)格、有的看性價(jià)比，不同的使用者關(guān)注點(diǎn)不一樣。

　　3、驅(qū)動(dòng)變壓器的設(shè)計(jì)和關(guān)鍵參數(shù)分析

　　驅(qū)動(dòng)變壓器的計(jì)算可以參照正激的方式設(shè)計(jì)，初級(jí)匝數(shù)

　　在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)變壓器時(shí)，其關(guān)鍵電氣參數(shù)中的兩個(gè)參數(shù)(漏電感值和繞組電容量)是需要控制的。因?yàn)榇蟮穆╇姼兄岛屠@組電容量可能引起諸如相位漂移、時(shí)間誤差、噪聲和上沖等不合乎使用要求的輸出信號(hào)。理想情況下，驅(qū)動(dòng)變壓器是不儲(chǔ)存能量的。不過(guò)實(shí)際上驅(qū)動(dòng)變壓器還是儲(chǔ)存了少量能量在線圈和磁芯的氣隙形成的磁場(chǎng)區(qū)域，這種能量表現(xiàn)為漏感和磁化電感。盡管MOS管驅(qū)動(dòng)器變壓器的平均功率很小，但是在開(kāi)通和關(guān)閉的時(shí)候傳遞很高的電流，為了減少延遲，保證驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定、安全可靠，也為了抑制高頻振蕩，保持低漏感仍然是必須的。對(duì)于驅(qū)動(dòng)變壓器繞組的電容量我們希望其值小于100pF。布板的時(shí)候盡量讓驅(qū)動(dòng)靠近開(kāi)關(guān)管，高頻電流回路面積盡量做小，控制電路盡量遠(yuǎn)離高頻回路。

　　我們知道繞組越接近磁心表面漏感越小，繞組匝數(shù)越少，越容易作到這點(diǎn);另外磁心的電感系數(shù)越高、磁導(dǎo)率越高，導(dǎo)磁能力越好，漏感越小。所以大多驅(qū)動(dòng)變壓器、網(wǎng)絡(luò)變壓器都用高導(dǎo)材料來(lái)做。另外在一個(gè)變壓器中分布電容和漏感是兩個(gè)矛盾的參數(shù)，但是通過(guò)繞制方法可以折中處理。對(duì)于上升沿的時(shí)間和下降沿的時(shí)間，磁心材料尤其是繞制工藝是非常關(guān)鍵的。

　　圖2 驅(qū)動(dòng)變壓器的微等效電路圖

　　從圖2可以看出，負(fù)載等效轉(zhuǎn)換后是和勵(lì)磁電感并聯(lián)的，我們所希望的是能量都加在負(fù)載上，那么最好是要求勵(lì)磁電感無(wú)窮大最好，但是實(shí)際不可能的。驅(qū)動(dòng)變壓器這種本身功率并不是很大的情況，尤其要求勵(lì)磁電感要大些，不然勵(lì)磁電流大了，那么驅(qū)動(dòng)變壓器的效率就小了。驅(qū)動(dòng)變壓器、網(wǎng)絡(luò)變壓器等都屬于弱信號(hào)類(lèi)變壓器，傳輸功率小、信號(hào)弱，這類(lèi)變壓器和大家最熟悉的開(kāi)關(guān)電源功率類(lèi)變壓器差別較大，因此一定要區(qū)別對(duì)待。像這些弱信號(hào)變壓器更加關(guān)注的是變壓器波形的完整性，也就特別要關(guān)注微等效電路。相對(duì)開(kāi)關(guān)電源功率類(lèi)變壓器，信號(hào)變壓器更敏感，設(shè)計(jì)和工藝部分要求嚴(yán)格。

　　4、驅(qū)動(dòng)變壓器的繞制

　　驅(qū)動(dòng)變壓器主要作用是隔離驅(qū)動(dòng)，將波形傳遞給需要浮地驅(qū)動(dòng)的MOSFET，如果繞制工藝設(shè)計(jì)不好，會(huì)導(dǎo)致波形嚴(yán)重失真，造成很大的干擾，影響整個(gè)產(chǎn)品的效率與EMC。驅(qū)動(dòng)變壓器的電流并不大，一般對(duì)趨膚效應(yīng)與臨近效應(yīng)考慮得不多，主要考慮的是耦合效果，也就是說(shuō)對(duì)信號(hào)傳遞的不失真度和穩(wěn)定性。繞組在弱耦合狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生漏電感。繞組的匝數(shù)較多以及在制造過(guò)程中繞組的線匝排列不均勻時(shí)都將產(chǎn)生大的繞組電容量。在變壓器的電氣參數(shù)設(shè)計(jì)階段和規(guī)范的制造過(guò)程中，可以保證漏感減至最小值。那接下來(lái)就以單端雙管正激的驅(qū)動(dòng)變壓器為例，來(lái)說(shuō)說(shuō)其繞制方法。

　　圖3 初級(jí)-次級(jí)繞法 圖4 次級(jí)包初級(jí)繞法

　　圖3這個(gè)是普通的初級(jí)-次級(jí)繞法。這樣的變壓器繞制工藝簡(jiǎn)單，繞組的用銅量少，成本低廉。但是缺點(diǎn)也明顯，當(dāng)用于傳輸?shù)牟ㄐ晤l率較高時(shí)，特別是大功率電源的驅(qū)動(dòng)時(shí)，容易產(chǎn)生失真，上升沿與下降沿時(shí)間變長(zhǎng)，且有明顯的振蕩。針對(duì)這樣的情況，推薦使用次級(jí)包初級(jí)，初級(jí)包次級(jí)，三明治繞法等幾種繞制方法來(lái)改進(jìn)，如圖4、圖5和圖6所示。

　　圖5 初級(jí)包次級(jí)繞法 圖6 三明治繞法

　　如果要采用磁環(huán)繞制，能在一層內(nèi)繞完初次級(jí)的所有線圈是最好的，而且初次級(jí)圈數(shù)相等是漏感最小的，如果初次級(jí)圈數(shù)不等，也要讓初次級(jí)都能均勻分布在整個(gè)窗口上。也就是說(shuō)初級(jí)或者次級(jí)緊密排繞一層繞不滿整個(gè)窗口，就要均勻分開(kāi)繞，讓初級(jí)和次級(jí)整個(gè)繞組剛好能排滿整個(gè)窗口。實(shí)際不一定非要只繞一層，只要均勻排滿整個(gè)窗口，就算初次級(jí)各占一層，漏感也不會(huì)太大，一般驅(qū)動(dòng)也夠用了，除非對(duì)驅(qū)動(dòng)速度要求極高。