單片開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

摘要：高頻變壓器是單片開關(guān)電源的核心部件，鑒于這種高頻變壓器在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹_關(guān)電源；高頻變壓器；損耗；音頻噪聲；抑制

1 引言

單片開關(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?jī)?chǔ)存與傳輸?shù)闹匾考?，單片開關(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?？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(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：

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(jí)匝數(shù)和初級(jí)峰值電流；

K_RP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，B_AC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?，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(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)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(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。