开关变压器的设计

开关变压器的设计

开关变压器是电源变换器的核心部件，它的性能好坏不仅影响变压器本身的发热和效率，而且还会影响到电源变换器的技术性能和可靠性。开关变压器是电源适配器中进行能量存储与传输的重要部件，在电源适配器中，开关变压器性能的优劣，不仅对电源转换效率有很大的影响，而且直接关系到电源适配器的其他技术指标和电磁兼容性（EMC）。为此，一个高效率的开关变压器应具备直流损耗和交流损耗低、漏感小、绕组本身的分布电容及各绕组之间的耦合电容小等条件。
开关电源变压器的设计要点分三个方面：尽量降低开关变压器的损耗；尽量减小开关变压器的漏感；尽量抑制开关变压器的音频噪声。
1.降低开关变压器的损耗：
①直流损耗。开关变压器的直流损耗是由线圈的铜损耗造成的，为了提高效率，应尽量选择较粗的导线。
②交流损耗。开关变压器的交流损耗是由高频电流的趋肤效应及磁芯的损耗引起的。高频电流通过导线时总是趋向于从表面流过，这会使导线的有效流通面积减小，并使导线的交流等效阻抗远高于铜电阻。高频电流对导线的穿透能力与开关频率的平方根成反比，为减小交流铜阻抗，导线半径不得超过高频电流可达深度的2倍。开关变压器的磁芯损耗也会使得电源转换效率降低。
2.减小开关变压器的漏感：
在设计开关变压器时必须把漏感减至最小，因为漏感越大，产生的尖峰电压幅度越大，漏极钳位电路的损耗就越大，这必然导致电源效率降低。对于一个符合绝缘及安全性标准的开关变压器，其漏感量应为次级开路时初级电感量的1%~3%。要想达到1%以下的指标，在制造工艺上将难以实现。减小漏感时可采取以下措施：
①减小初级绕组的匝数Np;
②增大绕组的宽度；
③增加绕组的高、宽比；
④减小各绕组之间的绝缘层；
⑤增加绕组之间的耦合程度。
挑选合适的磁芯形状，并且减小初级匝数和增加高宽比，能有效降低漏感。漏感量与初级匝数的平方成正比。所选磁芯尺寸应足够大，以使初级绕组能绕成2层甚至不到2层，这样可将初级漏感与分布电容减小至最小。不要使用矮胖型磁芯，因其尺寸大，高宽比值较小、漏感量大而不宜采用，它适用于EE、ETD、EI、EC型磁芯。
三重绝缘线是今年来国际上新开发的一种高性能绝缘导线，这种导线有三个绝缘层，中间是芯线。其绝缘层是呈金黄色的聚酰胺薄膜，国外称之为“黄金薄膜”；绝缘层的总厚度仅为20~100um，却可承受千伏的脉冲高压。三重绝缘线适用于尖端技术、国防领域，用于制作微型电机绕组、小型化开关电源的高频变压器绕组。其优点是绝缘强度高（任何两层之间均可承受AC3000V的安全电压），不需要加阻挡层以保证安全边距，也不用在级间绕绝缘胶带层；电流密度大。用它绕组的开关变压器，可以比用漆包线绕制的体积减小一半。开关变压器的一种优化设计方案是用普通高强度漆包线绕制初级和反馈级，而用三重绝缘线绕制次级，这样可使漏感量大为减小，开关变压器的体积也能减小1/2~1/3。
在开关电源的过程中，绕组的分布电容反复被充、放电，其能量都被吸收掉了。分布电容不仅会使开关电源效率降低，它还会与绕组的分布电感构成LC振荡器，产生振铃噪声。初级绕组分布电容的影响尤为显著，为减小分布电容，应尽量减小每匝导线的长度，并将初级绕组的始端接漏极，利用一部分初级绕组起到屏蔽作用，从而减小相邻绕组的耦合程度。
3.抑制开关变压器的音频噪声：
①EE或EI型磁芯之间的吸引力能使两个磁芯发生位移；绕组电流相互间的引力或斥力也能使线圈产生偏移。此外，EE或者EI型磁芯受机械振动时能导致周期性的形变。上述因素均会使开关变压器在工作时发出音频噪声，10W以下开关电源的音频噪声频率为10~20KHz。为防止磁芯之间产生相对位移，通常以环氧树脂作为胶合剂，对两个磁芯的3个接触面（含中心柱）进行粘接。但这种刚性连接方式的效果并不理想，因为无法将音频噪声减至最低，况且胶合剂过多，磁芯在受机械应力时还容易折断。国外最近采用了一种特殊的“玻璃珠”胶合剂要粘合EE、EI等类型的铁氧体磁芯，效果甚佳。这种胶合剂是把玻璃珠和胶着物按照1:9的比例配制而成的混合物，它在100摄氏度以上的温度环境中放置1H即可固化。
②为防止开关变压器的泄漏磁场对相邻电路造成干扰，可把一铜片环绕在变压器外部，该屏蔽带相当于短路环，能对泄漏磁场起到抑制作用。屏蔽带使用是应该接地。