集成電路高頻變壓器的設(shè)計與制作性能參數(shù)

　　脈沖變壓器也可稱作開關(guān)變壓器，或簡單地稱作高頻變壓器。在傳統(tǒng)的高頻變壓器設(shè)計中，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永恒的研究方向和發(fā)展趨勢。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)用愈來愈廣泛，但制作開關(guān)電源的主要技術(shù)和耗費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：

　　(1)電源電壓不是正弦波，而是交流方波，初級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)幾十萬赫茲。在確定鐵芯材料及損耗時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)計及注意事項。

　　2變壓器磁芯的選擇與工作點的確定

　　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考慮。坡莫合金、鈷基非晶態(tài)價格高，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?？紤]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，價格低廉，加工方便的性價比較低的鋅錳鐵氧體材料，并選以此材料作為框架的EI28來繞制本例中的脈沖變壓器。

　　2.2工作點的確定

　　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，磁芯已飽和，根據(jù)公式：

　　U=4.44fN1Φm可推知在工頻時的Φm值。要求不高時，可根據(jù)測算出的Φm，粗略估算出原線圈的匝數(shù)：

　　圖2工作點測試示意圖

　　3變壓器主要參數(shù)的計算

　　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，副邊二極管存在沒有反向恢復(fù)的問題，但MOS管的峰值電流相對較大;后者M(jìn)OS管的峰值電流相對較小，但存在副邊二極管的反向恢復(fù)問題，需要給二極管加吸收電路。這兩種工作模式可根據(jù)實際需求來選擇，本文采用了后者。

　　設(shè)計變壓器時大多需要考慮下面問題：變換器頻率f(H2);初級電壓U1(V)，次級電壓U2(V);次級電流i2(A);繞組線路參數(shù)n1、，n2;溫升τ(℃);繞組相對電壓降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)

　　(1)

　　ST是鐵芯的截面積;kT是窗口的填充系數(shù);

　　3)初級繞組電勢

　　E1=U1(1-2/u） (2)

　　4)初級繞組匝數(shù)

　　W1=W0El(3)

　　5)次級繞組電勢

　　E2i=U2i(1+u/2） (4)

　　6)次級繞組匝數(shù)

　　W2i=W0E2i(5)

　　7)初級繞組電流

　　(6)

　　8)次級繞組電流

　　(7)

　　其中，n1、n2：分別是初級繞組和次級繞組的每層匝數(shù)。

　　9)初級繞組線徑

　　(8)

　　10)次級繞組線徑

　　(9)

　　其中，j是電流密度。

　　詳細(xì)的變壓器設(shè)計方法與計算相當(dāng)復(fù)雜，本文參照經(jīng)驗公式，依據(jù)下面的步驟設(shè)計了本例轉(zhuǎn)換器中的高頻變壓器。

　　3.1確定變壓器的變比

　　根據(jù)輸出電壓U0的關(guān)系式

　　(10)

　　得變比為

　　(11)

　　式中UD為整流器輸出的直流電壓。

　　本例中UD=24V，f為100kHz，tON取0.5;n=2。

　　3.2計算初級線圈中的電流

　　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

　　初級的平均電流為

　　假定初級線圈的初始電流為零，那么，在開關(guān)管的導(dǎo)通期tON里，初級線圈中的電流心便從零開始線性增長到峰值I1P

　　3.3計算初級繞組圈數(shù)N1

　　初級繞組的最小電感L1為

　　根據(jù)輸出功率P的大小，選用適當(dāng)?shù)拇判?，其形狀用環(huán)形、EI形或罐形均可，本例采用EI28，該類型的鐵芯在f=50kHz時，功率可達(dá)到60W，在f=100kHz時，輸出功率可達(dá)到90W。

　　式中Ilp—初級線圈峰值電流，A;

　　L1—初級電感，H;

　　S—磁芯截面積，mm2;

　　Bm—磁芯最大磁通密度，T。

　　3.4計算次級繞組圈數(shù)N2

　　即±12V分別繞5匝，5V繞3匝。

　　3.5反饋繞組N3的估算

　　反饋繞組匝數(shù)的確定，要求既能保證開關(guān)元件的飽和導(dǎo)通又不至于造成過大損耗。根據(jù)UC3842的要求，反饋繞組的輸出電壓應(yīng)在13V左右。因此，

　　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)初級繞組

　　初級繞組的線徑可選d=0.80mm，其截面積為0.5027mm2的圓銅線。

　　2)次級繞組

　　次級繞組的線徑可根據(jù)各組輸出電流的大小，利用原級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)變壓器最重要的問題是想辦法使初、次級線圈緊密地耦合在一起，這樣可以減小變壓器漏感，因為漏感過大，將會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，應(yīng)盡量使初、次級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、次級線圈的漆包線合起來并繞，即所謂雙線并繞。這樣初、次級線間距離最小，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，用初、次級分層間繞法，即1、3、5行奇數(shù)層繞初級繞組，2、4、6等偶數(shù)層繞次級繞組。這種繞法仍可保持初、次級間的耦合，又可在初、次級間墊絕緣紙，以提高絕緣程度。

　　(3)夾層式繞法

　　把次級繞組繞在初級繞組的中間，初級分兩次繞。這種繞法只在初級繞組中多一個接頭，工藝簡單，便于批量生產(chǎn)。

　　本例中，為減小分布參數(shù)的影響，初級采用雙線并繞連接的結(jié)構(gòu)，次級采用分段繞制，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、次級之間的絕緣強(qiáng)度和抗電暈?zāi)芰?，本例中，因為不涉及高壓，絕緣問題不必特殊考慮。

　　4結(jié)束語

　　繞制脈沖變壓器是制作開關(guān)電源的重要工作，也是設(shè)計與制作過程中消耗大量時間和主要精力的工作。變壓器做得好，整個設(shè)計與制作工作就完成了70%以上。做得不好，可能就會出現(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)通時間最長，也不至于使變壓器的磁芯飽和;

　　(2)初級線圈與次級線圈的耦合要好，漏電感要小;

　　(3)高頻開關(guān)變壓器會因集膚效應(yīng)導(dǎo)致電線的電阻值增大，因而要減小電流密度。通常，工作時的最大磁通密度取決于次級線圈。

　　(12)

　　(4)一般來說，采用鐵氧體磁芯E128時，要把Bm控制在3kGs以下。