模塊電源中平面變壓器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

作者　趙鳳儉1 趙玉明2 張麗潔3 1.睿查森電子貿(mào)易(中國(guó))有限公司(北京 100020) 2.天地科技股份有限公司(北京 100013) 3.北京華清能源科技有限公司(北京 100080)

　　趙鳳儉(1979-)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：電力電子設(shè)備及元器件應(yīng)用的相關(guān)技術(shù);趙玉明，男，碩士，副研究員，研究方向：特殊施工技術(shù)應(yīng)用及監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)開(kāi)發(fā);張麗潔，女，工程師，研究方向：新能源設(shè)備的電氣設(shè)計(jì)。

摘要：本文基于開(kāi)關(guān)電源中變壓器的工作原理和平面變壓器自身特點(diǎn)，對(duì)模塊型開(kāi)關(guān)電源中的平面變壓器的設(shè)計(jì)、加工、工藝和應(yīng)用進(jìn)行了全面研究。明確指出平面變壓器在各種常見(jiàn)電路拓?fù)渲械倪m用性問(wèn)題，給出了平面變壓器設(shè)計(jì)的參數(shù)計(jì)算過(guò)程，并進(jìn)行了具體實(shí)例的參數(shù)計(jì)算。介紹了電路板繞組設(shè)計(jì)、平面變壓器裝配和電源整機(jī)工藝設(shè)計(jì)，給出了平面變壓器和電源整機(jī)實(shí)際設(shè)計(jì)與應(yīng)用案例，并對(duì)整機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性及合理性。

引言

　　模塊型開(kāi)關(guān)電源廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空航天、計(jì)算機(jī)硬件及電信等各個(gè)領(lǐng)域中，其核心部件之一為高頻變壓器。在實(shí)際的應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)電源小型化、輕量化始終都是技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，而高頻變壓器在開(kāi)關(guān)電源小型化過(guò)程中起著關(guān)鍵作用^[1~2]。隨著磁性材料的改進(jìn)和功率半導(dǎo)體器件工作頻率的提高，使得高頻變壓器的重量和尺寸減小成為可能。

　　平面型變壓器在提高模塊型開(kāi)關(guān)電源的特性方面有著很大的優(yōu)勢(shì)，因此，近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。采用鐵氧體磁芯和多層電路板繞組的平面型變壓器，具有高度低、體積小、效率高、電磁干擾小、產(chǎn)品一致性好、適合自動(dòng)化表面貼裝等特點(diǎn)，尤其適用于空間或高度存在限制、對(duì)節(jié)能及散熱要求苛刻的模塊型電源產(chǎn)品，具有廣闊的應(yīng)用前景^[3~4]。

1 電路拓?fù)溥m用性

　　正激及其衍生出的雙管正激等電路拓?fù)涞母哳l隔離變壓器，在單路輸出時(shí)，由于原副邊都沒(méi)有中間抽頭，使得平面型變壓器的電路板繞組設(shè)計(jì)和加工工藝簡(jiǎn)單，且磁芯不需要開(kāi)氣隙，特別適用于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)。而對(duì)于橋類電路拓?fù)?，如需要變壓器引出中間抽頭，則其變壓器在設(shè)計(jì)和加工工藝方面相對(duì)正激拓?fù)漭^為復(fù)雜。

2 變壓器的參數(shù)計(jì)算

　　開(kāi)關(guān)電源中變壓器的參數(shù)計(jì)算步驟如下：

　　1)根據(jù)開(kāi)關(guān)電源性能參數(shù)要求，選擇合適的電路拓?fù)?

　　2)磁芯體積選擇計(jì)算;

　　3)確定磁芯型號(hào)及其相關(guān)參數(shù);

　　4)確定變壓器匝比;

　　5)計(jì)算原邊匝數(shù);

　　6)根據(jù)匝比和原邊匝數(shù)，確定副邊匝數(shù);

　　7)反推實(shí)際最大占空比;

　　8)反推實(shí)際ΔB。

　　以150W功率、輸入直流電壓200~400V、輸出直流電壓24V模塊型開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)舉例。采用AP法^[5-6]，確定磁芯大小，考慮雙管正激電路拓?fù)涞淖陨硖攸c(diǎn)和類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，取開(kāi)關(guān)頻率fs=300kHz，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)周期T=3.3μs，并設(shè)置最大占空比δmax=0.41;采用宜賓金川RM2.3KD磁材^[7]，取磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量ΔB=1800GS。

　　經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的實(shí)際ΔB值小于1800GS，最大占空比小于0.41，滿足設(shè)計(jì)要求，且有一定余量。故可確定使用EI22磁芯^[7]，按照原副邊匝數(shù)比19：6完成此款模塊型開(kāi)關(guān)電源的變壓器設(shè)計(jì)。

3 電路板繞組設(shè)計(jì)

　　基于EI22磁芯的外形尺寸和原副邊的匝數(shù)開(kāi)展電路板繞組的設(shè)計(jì)。平面型EI磁芯的長(zhǎng)、寬、高依次為21.8mm、15.8mm、9.2mm，窗口高度為4.2mm?？紤]到8層電路板的標(biāo)準(zhǔn)厚度為1.6mm，故采用兩塊8層電路板并聯(lián)擺放的設(shè)計(jì)。每塊8層電路板包含事先計(jì)算好的原副邊匝數(shù)，當(dāng)采用兩塊電路板并聯(lián)時(shí)，等同為繞組并聯(lián)，用以增加導(dǎo)體截面積，裝配截面如圖1所示。

　　加工時(shí)斷開(kāi)拼版橋連部分，即可獲得一個(gè)變壓器的完整電路板繞組。整個(gè)設(shè)計(jì)中全部過(guò)孔設(shè)計(jì)采用貫穿孔，不設(shè)埋孔和盲孔。用于不同層繞組相互連接的貫穿孔副邊繞組采用雙孔設(shè)計(jì)，保證連接的可靠性，也加強(qiáng)了層間的同流能力。具體損耗計(jì)算可參見(jiàn)文獻(xiàn)[8-9] 。

4 平面變壓器加工工藝

　　變壓器裝配位置標(biāo)注圖如圖2所示。其中原邊繞組NP1匝數(shù)為19，繞組引出端為C和D，C為繞組起始端，D為結(jié)尾端;副邊繞組NS1匝數(shù)為6，繞組引出端為G和H，G為繞組起始端，H為結(jié)尾端。

　　變壓器生產(chǎn)加工步驟如下：

　　1)將電路板在橋連部位折斷，變?yōu)槌商椎膬蓧K小電路板。用鉗子剪掉板上殘余的橋連部分;

　　2)將帶有板號(hào)標(biāo)識(shí)的電路板向上放置，操作時(shí)要看得見(jiàn)板號(hào)標(biāo)識(shí);

　　3)將另一塊沒(méi)有板號(hào)標(biāo)識(shí)的電路板放在下面，此時(shí)兩塊電路板上的45度倒角要對(duì)齊;

　　4)將拼好的成對(duì)電路板插入變壓器合板工裝，在A、B兩處的板縫點(diǎn)適量的黏合膠，將兩塊電路板粘在一起，盡量減小兩板之間的空隙;

　　5)將固定后的電路板裝入EI22磁芯，板號(hào)標(biāo)識(shí)與I磁芯在同一側(cè)，使用磁材粘合劑將E磁芯和I磁芯粘在一起，夾上夾子;

　　6)在電路板的C、D焊盤上測(cè)量電感量要求大于2 mH (測(cè)試條件為100kHz，1V);

　　7)烘烤，使磁材固定。要求在烘烤前后目測(cè)E磁芯與I磁芯是否對(duì)齊;

　　8)冷卻后再次測(cè)量電感量;

　　9)在E磁芯上粘上雙面膠;

　　10)進(jìn)行抗電強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試參數(shù)如表1。

　　兩塊繞組電路板的倒角對(duì)齊，45°倒角為極性標(biāo)識(shí)。加工完成的平面變壓器實(shí)物如圖3所示。

5 電源整機(jī)工藝

　　電源整體采用上下兩塊電路板的方式，分為鋁基板和印制板兩部分，兩塊電路板需要分別進(jìn)行生產(chǎn)焊接，再拼裝為整機(jī)，最后進(jìn)行上下電路板的信號(hào)連接。

　　上層印制板為雙面覆銅板，控制電路、反饋電路、保護(hù)電路等功耗小的元器件在印制板上。下層為鋁基板，變壓器、電感、開(kāi)關(guān)管等大功率器件布放在鋁基板上。印制板和鋁基板之間的信號(hào)通路用針連接，鋁基板四角鉚裝螺母用于安裝散熱器。

　　變壓器進(jìn)行安裝定位之后，利用E磁芯下表面的導(dǎo)熱雙面膠與鋁基板粘合固定在一起，再在如圖2所示的C、D過(guò)孔焊盤插入直徑為1.0mm的連接針，G、H過(guò)孔焊盤插入直徑為2.0mm的連接針，并在焊盤上放置適量錫膏，同其它元器件一起過(guò)回流焊。

　　安裝變壓器時(shí)，要貼平、壓緊，以減小熱阻，保證能良好散熱。鋁基板進(jìn)行回流焊時(shí)，應(yīng)注意爐溫和帶速的控制，確保器件可靠焊接的同時(shí)，盡量避免焊接后在鋁基板上錫珠和松香的過(guò)多出現(xiàn)。

6 設(shè)計(jì)與應(yīng)用案例

　　根據(jù)上述的設(shè)計(jì)方法和步驟，將采用EI22磁芯的平面變壓器用于雙管正激電路拓?fù)涞哪K型開(kāi)關(guān)電源中，實(shí)現(xiàn)單機(jī)150W功率、輸入直流電壓200~400V、輸出直流電壓24V的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。該產(chǎn)品的整體外形尺寸的長(zhǎng)、寬、高依次為86mm、72mm、12.7mm。

　　在輸入直流電壓為400V，額定輸出工況時(shí)，持續(xù)工作兩個(gè)小時(shí)后，整機(jī)中各個(gè)器件的溫升到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)品的熱成像如圖4所示，測(cè)試環(huán)境溫度在23.5℃情況下，整機(jī)中變壓器溫度最高為72.6℃;在輸入直流電壓為200V，額定輸出工況時(shí)，持續(xù)工作兩個(gè)小時(shí)后，整機(jī)中各個(gè)器件的溫升到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)品熱成像圖如圖5所示，測(cè)試環(huán)境溫度在22.9℃情況下，整機(jī)中變壓器溫度最高為83.6℃。

7 結(jié)論

　　本文詳細(xì)闡述了模塊型開(kāi)關(guān)電源中的平面變壓器的設(shè)計(jì)、加工、應(yīng)用的全過(guò)程?；谄矫孀儔浩鞅旧淼募庸すに噺?fù)雜度角度，明確指出了平面變壓器在各種常見(jiàn)電路拓?fù)渲械倪m用性問(wèn)題，并在雙管正激電路拓?fù)錂C(jī)車上開(kāi)展了平面變壓器設(shè)計(jì)的參數(shù)計(jì)算，并給出具體實(shí)例參數(shù)計(jì)算過(guò)程。通過(guò)介紹平面變壓器的電路板繞組設(shè)計(jì)方法和具體設(shè)計(jì)過(guò)程，展示了多層電路繞阻的鋪設(shè)細(xì)節(jié)和拼版設(shè)計(jì)技巧。闡述了平面變壓器加工和電源整機(jī)工藝設(shè)計(jì)，給出了變壓器和電源整機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)與應(yīng)用案例，并對(duì)整機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性及合理性，為平面變壓器的大批量自動(dòng)化生產(chǎn)提供技術(shù)和應(yīng)用參考。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]黃鑫,耿濤,陳月,等.印制板(PCB)平面變壓器設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)展[J].磁性材料及器件,2014,45(5):72-77

　　[2] A.F.Goldberg,John G.ksssakian,Maitin F.schlecht.Issues related to 1-10MHz tansformer design[J].IEEE Transactions on Power lectronics, 1989,1: 113-123.

　　[3]田佳甲,劉永好,張金玲,等.基于絕緣芯平面變壓器的新型高壓直流電源的調(diào)試及輸出特性[J]核技術(shù),2015,38(7):44-48.

　　[4] A.F.Goldberg, John G.ksssakian,Maitin F.schlecht. Finite-element analysis of copper loss in 1-10MHz transformers[J].IEEE Transactions on Power Electron- -ics, 1989,4:157-167.

　　[5]楊玉崗.現(xiàn)代電力電子的磁技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2003:155-159

　　[6]張占松,蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003:109-118

　　[7]國(guó)營(yíng)第八九九廠.軟磁元件產(chǎn)品手冊(cè)[M].

　　[8]譚琳琳,王康平,宇文甸,等.基于GaN器件LLC諧振變換器的平面變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電源學(xué)報(bào),2016,14(4):96-102

　　[9]廖家文,張軍明,張燚.錢照明LLC諧振變流器中平面變壓器銅損優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(2):109-113

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第8期第58頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。