單片開關電源高頻變壓器的設計要點

摘要：高頻變壓器是單片開關電源的核心部件，鑒于這種高頻變壓器在設計上有其特殊性，為此專門闡述降低其損耗及抑制音頻噪聲的方法，可供高頻變壓器設計人員參考。

關鍵詞：單片開關電源；高頻變壓器；損耗；音頻噪聲；抑制

1? 引言

??? 單片開關電源集成電路具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等優點，能構成高效率無工頻變壓器的隔離式開關電源。在1994～2001年，國際上陸續推出了TOPSwitch、TOPSwitch-Ⅱ、TOPSwitch-FX、TOPSwitch-GX、TinySwitch、TinySwitch-Ⅱ等多種系列的單片開關電源產品，現已成為開發中、小功率開關電源、精密開關電源及開關電源模塊的優選集成電路。

??? 高頻變壓器是開關電源中進行能量儲存與傳輸的重要部件，單片開關電源中高頻變壓器性能的優劣，不僅對電源效率有較大的影響，而且直接關系到電源的其它技術指標和電磁兼容性（EMC）。為此，一個高效率高頻變壓器應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。下面介紹其設計要點。

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，應盡量選擇較粗的導線，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以及磁芯的損耗引起的。高頻電流通過導線時總是趨向于從表面流過，這會使導線的有效流通面積減小，并使導線的交流等效阻抗遠高于銅電阻。高頻電流對導體的穿透能力與開關頻率的平方根成反比，為減小交流銅阻抗，導線半徑不得超過高頻電流可達深度的2倍。可供選用的導線線徑與開關頻率的關系曲線如圖1所示。舉例說明，當f=100kHz時，導線直徑理論上可取φ0.4mm。但為了減小趨膚效應，實際可用更細的導線多股并繞，而不用一根粗導線繞制。

圖1? 導線線徑與開關頻率的關系曲線

??? 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行估算：

??? B_AC=(0.4πN_PI_PK_RP)／2δ

式中：B_AC為交流磁通密度，單位是T；

?????????? N_P、I_P分別為初級匝數和初級峰值電流；

????????? K_RP為初級脈動電流與峰值電流之比；

????????? δ為磁芯的氣隙寬度，單位是cm。

??? 欲設計在連續模式下工作的高頻變壓器，B_AC的典型值約為0.04～0.075T。鐵氧體磁芯在100kHz時的損耗應低于50mW/cm³。

3? 減小高頻變壓器的漏感

??? 在設計高頻變壓器時必須把漏感減至最小。因為漏感愈大，產生的尖峰電壓幅度愈高，漏極鉗位電路的損耗就愈大，這必然導致電源效率降低。對于一個符合絕緣及安全性標準的高頻變壓器，其漏感量應為次級開路時初級電感量的1％～3％。要想達到1％以下的指標，在制造工藝上將難于實現。減小漏感時可采取以下措施：

??? 1）減小初級繞組的匝數N_P；

??? 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? 減小初級繞組匝數并增加高與寬之比

??? 挑選合適的磁芯形狀，并且減小初級匝數和增加高與寬之比，能有效地降低漏感。漏感量與初級匝數的平方成正比。所選磁芯尺寸應足夠大，使初級繞組能繞成2層甚至不到2層，這樣可將初級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，它對應于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，它對應于EE、ETD、EI、EC型磁芯。

??? 三重絕緣線（Triple Insulated Wire）是近年來國際上新開發的一種高性能絕緣導線。這種導線有三個絕緣層，中間是芯線。其絕緣層是呈金黃色的聚酰胺薄膜，國外稱之為“黃金薄膜”，絕緣層的總厚度僅為20～100μm，卻可承受數kV的脈沖高壓；三重絕緣線適用于尖端技術、國防領域，制作微型電機繞組、小型化開關電源的高頻變壓器繞組。其優點是絕緣強度高（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化設計方案是用普通高強度漆包線繞制初級和反饋級，而用三重絕緣線繞制次級。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，繞組應按同心方式排列，如圖2所示。圖2（a）中次級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，且在次級繞組與反饋繞組之間加上強化絕緣層。對于多路輸出的開關電源，輸出功率最大的那個次級繞組應靠近初級，以增加耦合，減小磁場泄漏。當次級匝數很少時，為了增加與初級的耦合，宜采用多股線平行并繞方式均勻分布在整個骨架上，以增加覆蓋面積。在條件允許的情況下，用箔繞組作為次級也是增加耦合的一種好辦法。

（ a） 次 級 用 三 重 絕 緣 線

（ b） 全 部 用 漆 包 線

圖 2? 繞 組 的 排 列 方 式

??? 在開關電源的工作過程中，繞組的分布電容反復被充、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成LC振蕩器，會產生振鈴噪聲。初級繞組分布電容的影響尤為顯著。為減小分布電容，應盡量減小每匝導線的長度，并將初級繞組的始端接漏極，利用一部分初級繞組起到屏蔽作用，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，能使兩個磁芯發生位移；繞組電流相互間的引力或斥力，也 能 使 線 圈 產 生 偏 移 。 此 外 ， 受 機 械 振 動 時 能 導 致 周 期 性 的 形 變 。 上 述 因 素 均 會 使 高 頻 變 壓 器 在 工 作 時 發 出 音 頻 噪 聲 。10 W以 下 單 片 開 關 電 源 的 音 頻 噪 聲 頻 率 ， 約 為 10 kHz～ 20 kHz。

??? 為防止磁芯之間產生相對位移，通常以環氧樹脂作膠合劑，將兩個磁芯的3個接觸面（含中心柱）進行粘接。但這種剛性連接方式的效果并不理想。因為這無法將音頻噪聲減至最低，況且膠合劑過多，磁芯在受機械應力時還容易折斷。國外最近采用一種特殊的“玻璃珠”（glass beads）膠合劑，來粘合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，固化后每個磁芯仍能獨立地在小范圍內產生形變或移位，而總體位置不變，這就對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部結構如圖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 部 結 構 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對相鄰電路造成干擾，可把一銅片環繞在變壓器外部，構成如圖4所示的屏蔽帶。該屏蔽帶相當于短路環，能對泄漏磁場起到抑制作用，屏蔽帶應與地接通。

5? 結語

??? 單片開關電源高頻變壓器的設計要點分3個方面：

??? 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。