高频开关电源电源变压器的简析

时间:2020-08-19   访问量:7

在日常接触的电子产品中,我们都能发现有一大坨的磁芯元器件,其中有就开关电源的心脏-开关变压器。目前大部分电源都是高频开关电源,极少部分为线性电源。高频开关电源,具有效率高,温度好和体积小等优点。适合现在的电子产品,对外观超小,超薄的要求。线性电源虽然具有纹波电流小,电磁干扰小等优点。但其体积大,效率不高,只用在一些精密小功率的产品中。很多电子产品中都是高频开关电源,我们设计者和维护人员就不得不对开关电源的变压器有所了解。

高频开关变压器在电源中的作用是变压和隔离。1. 变压又可以分为升压和降压两种,大部分的开关电源都是降压的。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)。大电容的电压就是高频开关变压器的输入电压。变压器的次级输出电压,根据应用场合不同输出不同的电压。有5V(手机充电器),12V(台式机电源,辅助电源),19V(笔记本充电器),24V(LED路灯,马达驱动电源),48V(LED路灯电源)等等,96V(大型音响功放电源)。

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。在交流输入时,开关变压器必须有安全距离,做到初级交流输入和次级用电之间的隔离,变压器初次级绕组用绝缘胶带隔离,骨架引脚初次级隔离(包括PCB开槽隔离)。如果没有良好的隔离,交流电可能直通次级输出,当人体接触电子产品(如手机充电器的输出端),交流电通过人体,和大地形成回路,造成人体导电危险。对变压器都有高压测试(HI-PO),一般要求3KV(有些加强测试,测试电压更高)。

变压器的磁芯1. 磁芯是指由各种氧化铁烧结而成的磁芯金属氧化物。

其中添加了锰锌,镍锌等金属物,改变磁芯的磁导率和铁损。锰锌的铁氧体用得最多,因为其磁芯铁损小,居里温度高相对高,开关频率适合100-1000kHz,适合在高频开关电源中使用。主要可以作为PFC储能电感,高频开关电源变压器。主要的类型有:EE,EEL,ER,PQ,EQ,RM,POT。EE,EQ卧式的变压器,高度不高,适合超薄电源中使用,在电视机电源中很多。EE立式,RM体积比较小手机笔记本充电器中有用到。大功率开关电源的采用ER和PQ比较多,主要是其Ae面积大。

2. 磁芯的重要参数有哪些

A.磁导率,和磁芯材质本身有关,表示磁芯线圈流过电流后,磁场中导通磁力线的能力。是磁感应强度B与磁场强度H之比(μ=B / H)。变压器的磁芯磁导率高,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.饱和磁感应强度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.磁芯损耗,由磁滞,涡流,剩余损耗组成,是材质本身决定的。

D.居里温度,不同材质的磁芯的居里温度不同。开关电源的变压器锰锌铁氧体磁芯,居里温度在200度左右。但是磁芯的使用温度,我们要控制在120℃之内。

变压器的骨架(BOBBIN)骨架在变压器中起支撑线圈和固定在PCB上的作用,一般骨架的材质是环氧树脂的,质量比较轻,有一定硬度和强度。但是大力下,还是很容易碎的。磁芯不同,选择的骨架也不同。磁芯相同,骨架的高度,大小,引脚排距和跨距也有不同。

骨架可以分为单槽,双槽,多槽的。单槽的,初次级线圈之间用绝缘胶带隔离,骨架槽两端用乙醋酸布缠绕隔离,保证安全距离。当安全距离不够,要考虑采用三层绝缘线。双槽的初次级绕组分别绕在不同槽里。多槽的骨架,各个绕组都可以分开绕。双槽多槽的绕线,可以改变变压器的漏感,特别是在LLC的变压器中,需要漏感做谐振电感时,就需要双槽骨架,这样增大了变压器的漏感。

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)。

变压器的线圈反激,正激,LLC,推挽变压器的的圈数计算都不一样(变压器的计算后面会讲),但是一般来说降压变压器,初级圈数都要大于次级圈数。

变压器的线圈材料有漆包线,三层绝缘线,铜箔,铜片。漆包线一般采用多股绞线,多股绞线的好处是,避免铜线趋肤效应。多股绞线可能会引起噪声。三层绝缘线用在安全距离不够的或者骨架面积小(省掉绝缘胶带)变压器中,铜箔和铜片要在大功率变压器中。

线圈的绕法可以改善变压器的EMI,特别是在小功率的反激电源中,线圈绕法和屏蔽,对EMI非常重要。线圈的绕法影响变压器的漏感和寄生电容,对变压器的损耗有影响。

变压器的损耗,变压器主要分为铁损和铜损。铁损主要是磁芯损耗,磁芯损耗和材质,开关频率和温度等因素关系,铜损指的是变压器线圈铜线的损耗,线圈的阻值,与圈数和线径有关。

在设计变压器时,主要考虑两个方面:磁芯窗口面积和截面积。窗口面积决定了用多粗的线圈,越粗的线圈,线圈阻值越小(同样的电流下),功率损耗越小。磁芯截面积越大,同样的线圈圈数,通过的电流就可以越大(而不会磁芯饱和),变压器的输出功率就越大。输出功率与窗口面积和截面积的关系成正比:Pout=K*Ae*Aw(K是系数,Ae截面积,Aw窗口面积)。

开关电源的变压器种类很多,设计要考虑的因素也很多,学会设计变压器,等于学会了开关电源设计的一半,变压器设计要实践中不断总结,刚理论还远远不够。


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