單片開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器降低其損耗及抑制音頻噪聲的方法

發(fā)布時(shí)間：2025-04-25

1 引言 單片開(kāi)關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性價(jià)比、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，能構(gòu)成高效率無(wú)工頻變壓器的隔離式開(kāi)關(guān)電源。在1994～2001年，國(guó)際上陸續(xù)推出了topswitch、topswitch-ⅱ、topswitch-fx、topswitch-gx、tinyswitch、tinyswitch-ⅱ等多種系列的單片開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品，現(xiàn)已成為開(kāi)發(fā)中、小功率開(kāi)關(guān)電源、精密開(kāi)關(guān)電源及開(kāi)關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路。 高頻變壓器是開(kāi)關(guān)電源中進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存與傳輸?shù)闹匾考?，單片開(kāi)關(guān)電源中高頻變壓器性能的優(yōu)劣，不僅對(duì)電源效率有較大的影響，而且直接關(guān)系到電源的其它技術(shù)指標(biāo)和電磁兼容性（emc）。為此，一個(gè)高效率高頻變壓器應(yīng)具備直流損耗和交流損耗低、漏感小、繞組本身的分布電容及各繞組之間的耦合電容要小等條件。下面介紹其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。 2 降低高頻變壓器損耗 2.1 直流損耗 高頻變壓器的直流損耗是由線圈的銅損耗造成的。為提高效率，應(yīng)盡量選擇較粗的導(dǎo)線，并取電流密度j=4～10a／mm2。 2.2 交流損耗 高頻變壓器的交流損耗是由高頻電流的趨膚效應(yīng)以及磁芯的損耗引起的。高頻電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)總是趨向于從表面流過(guò)，這會(huì)使導(dǎo)線的有效流通面積減小，并使導(dǎo)線的交流等效阻抗遠(yuǎn)高于銅電阻。高頻電流對(duì)導(dǎo)體的穿透能力與開(kāi)關(guān)頻率的平方根成反比，為減小交流銅阻抗，導(dǎo)線半徑不得超過(guò)高頻電流可達(dá)深度的2倍。可供選用的導(dǎo)線線徑與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系曲線如圖1所示。舉例說(shuō)明，當(dāng)f=100khz時(shí)，導(dǎo)線直徑理論上可取φ0.4mm。但為了減小趨膚效應(yīng)，實(shí)際可用更細(xì)的導(dǎo)線多股并繞，而不用一根粗導(dǎo)線繞制。 圖1 導(dǎo)線線徑與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系曲線 高頻變壓器的磁芯損耗也使得電源效率降低。其交流磁通密度可用下式進(jìn)行估算： bac=(0.4πnpipkrp)／2δ 式中：bac為交流磁通密度，單位是t； np、ip分別為初級(jí)匝數(shù)和初級(jí)峰值電流； krp為初級(jí)脈動(dòng)電流與峰值電流之比； δ為磁芯的氣隙寬度，單位是cm。 欲設(shè)計(jì)在連續(xù)模式下工作的高頻變壓器，bac的典型值約為0.04～0.075t。鐵氧體磁芯在100khz時(shí)的損耗應(yīng)低于50mw/cm3。 3 減小高頻變壓器的漏感 在設(shè)計(jì)高頻變壓器時(shí)必須把漏感減至最小。因?yàn)槁└杏螅a(chǎn)生的尖峰電壓幅度愈高，漏極鉗位電路的損耗就愈大，這必然導(dǎo)致電源效率降低。對(duì)于一個(gè)符合絕緣及安全性標(biāo)準(zhǔn)的高頻變壓器，其漏感量應(yīng)為次級(jí)開(kāi)路時(shí)初級(jí)電感量的1％～3％。要想達(dá)到1％以下的指標(biāo)，在制造工藝上將難于實(shí)現(xiàn)。減小漏感時(shí)可采取以下措施： 1）減小初級(jí)繞組的匝數(shù)np； 2）增大繞組的寬度（例如選ee型磁芯，以增加骨架寬度b）； 3）增加繞組的高、寬比； 4）減小各繞組之間的絕緣層； 5）增加繞組之間的耦合程度。 3.1 減小初級(jí)繞組匝數(shù)并增加高與寬之比 挑選合適的磁芯形狀，并且減小初級(jí)匝數(shù)和增加高與寬之比，能有效地降低漏感。漏感量與初級(jí)匝數(shù)的平方成正比。所選磁芯尺寸應(yīng)足夠大，使初級(jí)繞組能繞成2層甚至不到2層，這樣可將初級(jí)漏感與分布電容減至最小。不要使用矮胖窗口的磁芯，因其尺寸大，高與寬比值較小、漏感量大，而不宜采用，它對(duì)應(yīng)于pot、rm、pq型和部分e型磁芯。建議采用瘦高型磁芯，這種磁芯具有較大的高、寬比，它對(duì)應(yīng)于ee、etd、ei、ec型磁芯。 三重絕緣線（triple insulated wire）是近年來(lái)國(guó)際上新開(kāi)發(fā)的一種高性能絕緣導(dǎo)線。這種導(dǎo)線有三個(gè)絕緣層，中間是芯線。其絕緣層是呈金黃色的聚酰胺薄膜，國(guó)外稱之為“黃金薄膜”，絕緣層的總厚度僅為20～100μm，卻可承受數(shù)kv的脈沖高壓；三重絕緣線適用于尖端技術(shù)、國(guó)防領(lǐng)域，制作微型電機(jī)繞組、小型化開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器繞組。其優(yōu)點(diǎn)是絕緣強(qiáng)度高（任何兩層之間均可承受ac 3000v的安全電壓），不需要加阻擋層以保證安全邊距，也不用在級(jí)間繞絕緣膠帶層；電流密度大。用它繞制的高頻變壓器，比用漆包線繞制的體積可減小一半。高頻變壓器的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是用普通高強(qiáng)度漆包線繞制初級(jí)和反饋級(jí)，而用三重絕緣線繞制次級(jí)。這樣可使漏感量大為減小，高頻變壓器的體積能減小1/2～1/3。 3.2 繞組排列 為減小漏感，繞組應(yīng)按同心方式排列，如圖2所示。圖2（a）中次級(jí)采用三重絕緣線繞制；圖2（b）中全部用漆包線繞制，但須留出安全邊距，且在次級(jí)繞組與反饋繞組之間加上強(qiáng)化絕緣層。對(duì)于多路輸出的開(kāi)關(guān)電源，輸出功率最大的那個(gè)次級(jí)繞組應(yīng)靠近初級(jí)，以增加耦合，減小磁場(chǎng)泄漏。當(dāng)次級(jí)匝數(shù)很少時(shí)，為了增加與初級(jí)的耦合，宜采用多股線平行并繞方式均勻分布在整個(gè)骨架上，以增加覆蓋面積。在條件允許的情況下，用箔繞組作為次級(jí)也是增加耦合的一種好辦法。 （ a） 次 級(jí) 用 三 重 絕 緣 線 （ b） 全 部 用 漆 包 線 圖 2 繞 組 的 排 列 方 式 在開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程中，繞組的分布電容反復(fù)被充、放電，其上的能量都被吸收掉了。分布電容不僅使電源效率降低，它還與繞組的分布電感構(gòu)成lc振蕩器，會(huì)產(chǎn)生振鈴噪聲。初級(jí)繞組分布電容的影響尤為顯著。為減小分布電容，應(yīng)盡量減小每匝導(dǎo)線的長(zhǎng)度，并將初級(jí)繞組的始端接漏極，利用一部分初級(jí)繞組起到屏蔽作用，減小相鄰繞組的耦合程度。 4 抑制高頻變壓器音頻噪聲 4.1 抑制高頻變壓器的音頻噪聲 高頻變壓器ee或ei型磁芯之間的吸引力，能使兩個(gè)磁芯發(fā)生位移；繞組電流相互間的引力或斥力，也 能 使 線 圈 產(chǎn) 生 偏 移 。 此 外 ， 受 機(jī) 械 振 動(dòng) 時(shí) 能 導(dǎo) 致 周 期 性 的 形 變 。 上 述 因 素 均 會(huì) 使 高 頻 變 壓 器 在 工 作 時(shí) 發(fā) 出 音 頻 噪 聲 。10 w以 下 單 片 開(kāi) 關(guān) 電 源 的 音 頻 噪 聲 頻 率 ， 約 為 10 khz～ 20 khz。 為防止磁芯之間產(chǎn)生相對(duì)位移，通常以環(huán)氧樹(shù)脂作膠合劑，將兩個(gè)磁芯的3個(gè)接觸面（含中心柱）進(jìn)行粘接。但這種剛性連接方式的效果并不理想。因?yàn)檫@無(wú)法將音頻噪聲減至最低，況且膠合劑過(guò)多，磁芯在受機(jī)械應(yīng)力時(shí)還容易折斷。國(guó)外最近采用一種特殊的“玻璃珠”（glass beads）膠合劑，來(lái)粘合ee、ei等類型的鐵氧體磁芯，效果甚佳。這種膠合劑是把玻璃珠和膠著物按照1：9的比例配制而成的混合物，它在100℃以上的溫度環(huán)境中放置1h即可固化。其作用與滾珠軸承有某種相似之處，固化后每個(gè)磁芯仍能獨(dú)立地在小范圍內(nèi)產(chǎn)生形變或移位，而總體位置不變，這就對(duì)形變起到了抑制作用。用玻璃珠膠合劑粘接的高頻變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用這種工藝可將音頻噪聲降低5db。 圖3 高 頻 變 壓 器 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 圖4高 頻 變 壓 器 的 屏 蔽 帶 4.2 高頻變壓器的屏蔽 為防止高頻變壓器的泄漏磁場(chǎng)對(duì)相鄰電路造成干擾，可把一銅片環(huán)繞在變壓器外部，構(gòu)成如圖4所示的屏蔽帶。該屏蔽帶相當(dāng)于短路環(huán)，能對(duì)泄漏磁場(chǎng)起到抑制作用，屏蔽帶應(yīng)與地接通。 5 結(jié)語(yǔ) 單片開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分3個(gè)方面： 1）盡量降低高頻變壓器的損耗； 2）盡量減少高頻變壓器的漏感； 3）盡量抑制高頻變壓器的音頻噪聲。