1引言

　　單片開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品，現(xiàn)已成為開(kāi)發(fā)中、小功率開(kāi)關(guān)電源、精密開(kāi)關(guān)電源及開(kāi)關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路。

　　高頻變壓器是開(kāi)關(guān)電源中進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存與傳輸?shù)闹匾考?，單片開(kāi)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(kāi)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(kāi)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。

　　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(jí)匝數(shù)和初級(jí)峰值電流；

　　KRP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，BAC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(kāi)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)NP；

　　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。

　　三重絕緣線（TripleInsulatedWire）是近年來(lái)國(guó)際上新開(kāi)發(fā)的一種高性能絕緣導(dǎo)線。這種導(dǎo)線有三個(gè)絕緣層，中間是芯線。其絕緣層是呈金黃色的聚酰胺薄膜，國(guó)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(guó)防領(lǐng)域，制作微型電機(jī)繞組、小型化開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器繞組。其優(yōu)點(diǎn)是絕緣強(qiáng)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(jí)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(jì)方案是用普通高強(qiáng)度漆包線繞制初級(jí)和反饋級(jí)，而用三重絕緣線繞制次級(jí)。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(yīng)按同心方式排列，如圖2所示。圖2（a）中次級(jí)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(jí)繞組與反饋繞組之間加上強(qiáng)化絕緣層。對(duì)于多路輸出的開(kāi)關(guān)電源，輸出功率最大的那個(gè)次級(jí)繞組應(yīng)靠近初級(jí)，以增加耦合，減小磁場(chǎng)泄漏。當(dāng)次級(jí)匝數(shù)很少時(shí)，為了增加與初級(jí)的耦合，宜采用多股線平行并繞方式均勻分布在整個(gè)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(jí)也是增加耦合的一種好辦法。

　　在開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程中，繞組的分布電容反復(fù)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(gòu)成LC振蕩器，會(huì)產(chǎn)生振鈴噪聲。初級(jí)繞組分布電容的影響尤為顯著。為減小分布電容，應(yīng)盡量減小每匝導(dǎo)線的長(zhǎng)度，并將初級(jí)繞組的始端接漏極，利用一部分初級(jí)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(gè)磁芯發(fā)生位移；繞組電流相互間的引力或斥力，也能使線圈產(chǎn)生偏移。此外，受機(jī)械振動(dòng)時(shí)能導(dǎo)致周期性的形變。上述因素均會(huì)使高頻變壓器在工作時(shí)發(fā)出音頻噪聲。10W以下單片開(kāi)關(guān)電源的音頻噪聲頻率，約為10kHz～20kHz。

　　為防止磁芯之間產(chǎn)生相對(duì)位移，通常以環(huán)氧樹(shù)脂作膠合劑，將兩個(gè)磁芯的3個(gè)接觸面（含中心柱）進(jìn)行粘接。但這種剛性連接方式的效果并不理想。因?yàn)檫@無(wú)法將音頻噪聲減至最低，況且膠合劑過(guò)多，磁芯在受機(jī)械應(yīng)力時(shí)還容易折斷。國(guó)外最近采用一種特殊的“玻璃珠”（glassbeads）膠合劑，來(lái)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(huán)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(gè)磁芯仍能獨(dú)立地在小范圍內(nèi)產(chǎn)生形變或移位，而總體位置不變，這就對(duì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用這種工藝可將音頻噪聲降低5dB。

　　4.2高頻變壓器的屏蔽

　　為防止高頻變壓器的泄漏磁場(chǎng)對(duì)相鄰電路造成干擾，可把一銅片環(huán)繞在變壓器外部，構(gòu)成如圖4所示的屏蔽帶。該屏蔽帶相當(dāng)于短路環(huán)，能對(duì)泄漏磁場(chǎng)起到抑制作用，屏蔽帶應(yīng)與地接通。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　單片開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分3個(gè)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。