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高频开关直流電源变压器的简析

時間:2020-08-19   訪問量:28

在日常接觸的電子産品中,我們都能發現有一大坨的磁芯元器件,其中有就開關電源的心髒-開關變壓器。目前大部分電源都是高頻開關電源,極少部分爲線性電源。高頻開關電源,具有效率高,溫度好和體積小等優點。適合現在的電子産品,對外觀超小,超薄的要求。線性電源雖然具有紋波電流小,電磁幹擾小等優點。但其體積大,效率不高,只用在一些精密小功率的産品中。很多電子産品中都是高頻開關電源,我們設計者和維護人員就不得不對開關電源的變壓器有所了解。

高頻開關變壓器在電源中的作用是變壓和隔離。1. 变压又可以分为升压和降压两种,大部分的開關電源都是降压的。这类电子产品有台式机电源,笔记本适配器,手机充电器,电视机电源,LED电源,电饭煲冰箱电磁炉辅助电源等等,都是交流90-264V输入(宽范围)经过整流桥,大电容整流滤波,得到一个高压直流电。以交流220V输入为例(没有PFC的电路),在大电容上我们的√2 *220V=310V左右的电压(有PFC电路的,大电容上的电压为390V左右)。大電容的電壓就是高頻開關變壓器的輸入電壓。變壓器的次級輸出電壓,根據應用場合不同輸出不同的電壓。有5V(手機充電器),12V(台式機電源,輔助電源),19V(筆記本充電器),24V(LED路燈,馬達驅動電源),48V(LED路燈電源)等等,96V(大型音響功放電源)。

2. 升压一般用在逆变电源或者DC-DC线路中,有些应急电源,电池12V转为交流220V输出,供电器设备用。

3. 高频开关变压器的隔离是安规要求,为了保证用电设备的安全。在交流輸入時,開關變壓器必須有安全距離,做到初級交流輸入和次級用電之間的隔離,變壓器初次級繞組用絕緣膠帶隔離,骨架引腳初次級隔離(包括PCB開槽隔離)。如果沒有良好的隔離,交流電可能直通次級輸出,當人體接觸電子産品(如手機充電器的輸出端),交流電通過人體,和大地形成回路,造成人體導電危險。對變壓器都有高壓測試(HI-PO),一般要求3KV(有些加強測試,測試電壓更高)。

變壓器的磁芯1. 磁芯是指由各种氧化铁烧结而成的磁芯金属氧化物。

其中添加了錳鋅,鎳鋅等金屬物,改變磁芯的磁導率和鐵損。錳鋅的鐵氧體用得最多,因爲其磁芯鐵損小,居裏溫度高相對高,開關頻率適合100-1000kHz,適合在高頻開關電源中使用。主要可以作爲PFC儲能電感,高頻開關電源變壓器。主要的類型有:EE,EEL,ER,PQ,EQ,RM,POT。EE,EQ臥式的變壓器,高度不高,適合超薄電源中使用,在電視機電源中很多。EE立式,RM體積比較小手機筆記本充電器中有用到。大功率開關電源的采用ER和PQ比較多,主要是其Ae面積大。

2. 磁芯的重要参数有哪些

A.磁導率,和磁芯材質本身有關,表示磁芯線圈流過電流後,磁場中導通磁力線的能力。是磁感应强度B与磁场强度H之比(μ=B / H)。變壓器的磁芯磁导率高,同样的感量,需要的绕圈数的就小,相当于线圈铜阻损耗就小。但是另外一方面,磁导率高了,很小的电流,就能得到很大的磁感应强度B,容易达到磁芯的Bmax,使得磁芯饱和。

B.飽和磁感應強度Bmax,就是磁感应强度不会随着外加磁场强度的增大而无限增大,它有一个最大值,就是Bmax。高频变压器中外加磁场就是线圈电流产生的。当然我们希望Bmax越大越好,这样磁芯就不会饱和,电流就可以流过很大,变压器的输出功率可以做很大。公式计算 B=(L*I)/(Np*Ae),计算值要小于Bmax。

C.磁芯損耗,由磁滯,渦流,剩余損耗組成,是材質本身決定的。

D.居裏溫度,不同材質的磁芯的居裏溫度不同。開關電源的變壓器錳鋅鐵氧體磁芯,居裏溫度在200度左右。但是磁芯的使用溫度,我們要控制在120℃之內。

變壓器的骨架(BOBBIN)骨架在變壓器中起支撐線圈和固定在PCB上的作用,一般骨架的材質是環氧樹脂的,質量比較輕,有一定硬度和強度。但是大力下,還是很容易碎的。磁芯不同,選擇的骨架也不同。磁芯相同,骨架的高度,大小,引腳排距和跨距也有不同。

骨架可以分爲單槽,雙槽,多槽的。單槽的,初次級線圈之間用絕緣膠帶隔離,骨架槽兩端用乙醋酸布纏繞隔離,保證安全距離。當安全距離不夠,要考慮采用三層絕緣線。雙槽的初次級繞組分別繞在不同槽裏。多槽的骨架,各個繞組都可以分開繞。雙槽多槽的繞線,可以改變變壓器的漏感,特別是在LLC的變壓器中,需要漏感做諧振電感時,就需要雙槽骨架,這樣增大了變壓器的漏感。

选择合适的变压器的骨架引脚,方便PCB layout,在实际电源PCB设计时,要考虑骨架引脚的排距和跨距。排距大于初次级之间安全距离(一般是7mm)。

變壓器的線圈反激,正激,LLC,推挽變壓器的的圈數計算都不一樣(變壓器的計算後面會講),但是一般來說降壓變壓器,初級圈數都要大于次級圈數。

變壓器的線圈材料有漆包线,三层绝缘线,铜箔,铜片。漆包線一般采用多股絞線,多股絞線的好處是,避免銅線趨膚效應。多股絞線可能會引起噪聲。三層絕緣線用在安全距離不夠的或者骨架面積。ㄊ〉艚^緣膠帶)變壓器中,銅箔和銅片要在大功率變壓器中。

線圈的繞法可以改善變壓器的EMI,特別是在小功率的反激電源中,線圈繞法和屏蔽,對EMI非常重要。線圈的繞法影響變壓器的漏感和寄生電容,對變壓器的損耗有影響。

變壓器的損耗,變壓器主要分爲鐵損和銅損。鐵損主要是磁芯損耗,磁芯損耗和材質,開關頻率和溫度等因素關系,銅損指的是變壓器線圈銅線的損耗,線圈的阻值,與圈數和線徑有關。

在設計變壓器時,主要考慮兩個方面:磁芯窗口面積和截面積。窗口面積決定了用多粗的線圈,越粗的線圈,線圈阻值越。ㄍ瑯拥碾娏飨拢,功率損耗越小。磁芯截面積越大,同樣的線圈圈數,通過的電流就可以越大(而不會磁芯飽和),變壓器的輸出功率就越大。輸出功率與窗口面積和截面積的關系成正比:Pout=K*Ae*Aw(K是系數,Ae截面積,Aw窗口面積)。

開關電源的變壓器種類很多,設計要考慮的因素也很多,學會設計變壓器,等于學會了開關電源設計的一半,變壓器設計要實踐中不斷總結,剛理論還遠遠不夠。


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