單片開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計要點

　　1引言

　　單片開關(guān)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(biāo)等優(yōu)點，能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源。在1994～2001年，國際上陸續(xù)推出了TOPSwitch、TOPSwitch?Ⅱ、TOPSwitch?FX、TOPSwitch?GX、TinySwitch、 TinySwitch?Ⅱ等多種系列的單片開關(guān)電源產(chǎn)品，現(xiàn)已成為開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及開關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路。

　　高頻變壓器是開關(guān)電源中進(jìn)行能量儲存與傳輸?shù)闹匾�部件，單片開關(guān)電源中高頻變壓器性能的優(yōu)劣，不僅對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(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。高頻電流通過導(dǎo)線時總是趨向于從表面流過，這會使導(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。高頻電流對導(dǎo)體的穿透能力與開關(guān)頻率的平方根成反比，為減小交流銅阻抗，導(dǎo)線半徑不得超過高頻電流可達(dá)深度的2倍�？晒┻x用的導(dǎo)線線徑與開關(guān)頻率的關(guān)系曲線如圖1所示。舉例說明，當(dāng)f=100kHz時，導(dǎo)線直徑理論上可取φ0.4mm。但為了減小趨膚效應(yīng)，實際可用更細(xì)的導(dǎo)線多股并繞，而不用一根粗導(dǎo)線繞制。

　　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：

　　式中：BAC為交流磁通密度，單位是T；

　　NP、IP分別為初級匝數(shù)和初級峰值電流；

　　KRP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(shè)計在連續(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時的損耗應(yīng)低于50mW/cm3。

　　3減小高頻變壓器的漏感

　　在設(shè)計高頻變壓器時必須把漏感減至最小。因為漏感愈大，產(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。對于一個符合絕緣及安全性標(biāo)準(zhǔn)的高頻變壓器，其漏感量應(yīng)為次級開路時初級電感量的1％～3％。要想達(dá)到1％以下的指標(biāo)，在制造工藝上將難于實現(xiàn)。減小漏感時可采取以下措施：

　　1）減小初級繞組的匝數(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）；

[$page]　　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(shù)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(shù)和增加高與寬之比，能有效地降低漏感。漏感量與初級匝數(shù)的平方成正比。所選磁芯尺寸應(yīng)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(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，它對應(yīng)于EE、ETD、EI、EC型磁芯。

　　三重絕緣線（TripleInsulatedWire）是近年來國際上新開發(fā)的一種高性能絕緣導(dǎo)線。這種導(dǎo)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(shù)kV的脈沖高壓；三重絕緣線適用于尖端技術(shù)、國防領(lǐng)域，制作微型電機繞組、小型化開關(guān)電源的高頻變壓器繞組。其優(yōu)點是絕緣強度高（任何兩層之間均可承受AC3000V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(yōu)化設(shè)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