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高頻開關直流電源變壓器的簡析

時間:2020-08-19   訪問量:366

在日常接觸的電子產品中,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臟-開關變壓器。目前大部分電源都是高頻開關電源,極少部分為線性電源。高頻開關電源,具有效率高,溫度好和體積小等優點。適合現在的電子產品,對外觀超小,超薄的要求。線性電源雖然具有紋波電流小,電磁干擾小等優點。但其體積大,效率不高,只用在一些精密小功率的產品中。很多電子產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. 變壓又可以分為升壓和降壓兩種,大部分的開關電源都是降壓的。這類電子產品有臺式機電源,筆記本適配器,手機充電器,電視機電源,LED電源,電飯煲冰箱電磁爐輔助電源等等,都是交流90-264V輸入(寬范圍)經過整流橋,大電容整流濾波,得到一個高壓直流電。以交流220V輸入為例(沒有PFC的電路),在大電容上我們的√2 *220V=310V左右的電壓(有PFC電路的,大電容上的電壓為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(臺式機電源,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. 升壓一般用在逆變電源或者DC-DC線路中,有些應急電源,電池12V轉為交流220V輸出,供電器設備用。

3. 高頻開關變壓器的隔離是安規要求,為了保證用電設備的安全。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,當人體接觸電子產品(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. 磁芯是指由各種氧化鐵燒結而成的磁芯金屬氧化物。

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,因為其磁芯鐵損小,居里溫度高相對高,開關頻率適合100-1000kHz,適合在高頻開關電源中使用。主要可以作為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. 磁芯的重要參數有哪些

A.磁導率,和磁芯材質本身有關,表示磁芯線圈流過電流后,磁場中導通磁力線的能力。是磁感應強度B與磁場強度H之比(μ=B / H)。變壓器的磁芯磁導率高,同樣的感量,需要的繞圈數的就小,相當于線圈銅阻損耗就小。但是另外一方面,磁導率高了,很小的電流,就能得到很大的磁感應強度B,容易達到磁芯的Bmax,使得磁芯飽和。

B.飽和磁感應強度Bmax,就是磁感應強度不會隨著外加磁場強度的增大而無限增大,它有一個******值,就是Bmax。高頻變壓器中外加磁場就是線圈電流產生的。當然我們希望Bmax越大越好,這樣磁芯就不會飽和,電流就可以流過很大,變壓器的輸出功率可以做很大。公式計算 B=(L*I)/(Np*Ae),計算值要小于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.居里溫度,不同材質的磁芯的居里溫度不同。開關電源的變壓器錳鋅鐵氧體磁芯,居里溫度在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。

骨架可以分為單槽,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里。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。

選擇合適的變壓器的骨架引腳,方便PCB layout,在實際電源PCB設計時,要考慮骨架引腳的排距和跨距。排距大于初次級之間安全距離(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(變壓器的計算后面會講),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線,三層絕緣線,銅箔,銅片。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小(省掉絕緣膠帶)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,變壓器主要分為鐵損和銅損。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,線圈阻值越小(同樣的電流下),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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