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反激變壓器工程設(shè)計(jì)
反激變壓器工程設(shè)計(jì)
電源網(wǎng)深圳電源技術(shù)交流會(huì)
2011年11月 鄒超洋
內(nèi)容提要
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反激電源的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用 匝比的選取 DCM或CCM工作模式 漏感與分布電容 氣隙的作用與選取 變壓器的繞制技術(shù) 安規(guī)與EMI的考慮 變壓器的驗(yàn)證與優(yōu)化
反激電源的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用
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Flyback是Buck-boost的隔離版本， Flyback中變壓器T的功能跟 Buck-boost中L1的作用基本相同，但多了一個(gè)隔離初、次級(jí)電壓的 功能。 但變壓器的設(shè)計(jì)比電感卻復(fù)雜得多，需要有很強(qiáng)的理論知識(shí)與豐富 的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，才能很好的平衡各個(gè)參數(shù)，達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)格的要求
反激電源的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用
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反激式開(kāi)關(guān)電源因?yàn)槠浜?jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，低廉的成本，在小功率電源中， 特別在多路輸出的輔助電源中被廣泛采用。 由于反激變換器有較大的紋波電流流過(guò)變壓器跟輸出元件（DCM模 式時(shí)紋波電流更大），這會(huì)降低整體效率，所以反激不適合大功率特 別是大電流的輸出場(chǎng)合，一般應(yīng)用在小于150W的場(chǎng)合。 反激電源中的變壓器由于集三大功能（儲(chǔ)能電感，電氣隔離，電壓與 電流變換）于一身，而且在CCM模式工作時(shí)，變壓器還需要承受較 大的直流成分，所以其工作狀態(tài)較其他單端正激類，雙端正激類拓?fù)?（push-pull,half-birdge,full-bridge及相關(guān)衍生拓?fù)洌┑淖儔浩饕獜?fù)雜 得多，很多電源工程師喜歡用純數(shù)學(xué)理論的方法去計(jì)算與設(shè)計(jì)，往往 很難得到滿意的結(jié)果。其原因是因?yàn)樽儔浩鞯膶?shí)際模型中有很多的分 布參數(shù)很難估算，所以，工程應(yīng)用設(shè)計(jì)中往往需要將很多的參數(shù)作折 衷考慮，以便獲得更優(yōu)的整體性能。
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匝比的選取
匝比的選取跟電源的占空比息息相關(guān) n = [Vin(min) / (Vo + Vf)] * [Dmax / (1-Dmax)] 或 Dmax = n*(Vo + Vf) / [Vin(min) + n*(Vo + Vf)]
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由上式可以看出， Dmax ∝ n
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反激電源中，如果采用電流控制模式，為了避免出現(xiàn)次諧 波振蕩，建議最大占空比不要超過(guò)0.5，否則需要采用斜 坡補(bǔ)償
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匝比還決定這次級(jí)整流二極管的反向耐壓值 Vd = Vo + Vin(max) / n
匝比的選取
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匝比決定著初級(jí)的MOSFET的電壓應(yīng)力 Vmos = Vin(max) + n*(Vo + Vf)
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由左圖可知，增 大匝比會(huì)使開(kāi)關(guān) MOSFET的Vds 電壓應(yīng)力增大， Snubber電路的 損耗也加大，從 而影響電源的整 體效率。
DCM或CCM工作模式
DCM的優(yōu)缺點(diǎn)：
所有功率元器件承受的峰值電流較大，電流的有效值也大，在一定程 度上會(huì)影響電路的效率；大的di/dt會(huì)帶來(lái)EMI問(wèn)題；因?yàn)檎伎毡雀?出的電流大小有關(guān)，要得到穩(wěn)定的輸出，必定有個(gè)最小負(fù)載的問(wèn)題； 對(duì)次級(jí)輸出的電容要求也更高，否則會(huì)有很大的紋波問(wèn)題。 因?yàn)槌跫?jí)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通前，次級(jí)整流二極管就已經(jīng)關(guān)閉，
所以不存在反 向恢復(fù)的問(wèn)題；反饋補(bǔ)償容易，不存在右半面零點(diǎn)的問(wèn)題，所以負(fù)載 電流突變引起的瞬態(tài)響應(yīng)更快，過(guò)沖也不會(huì)太高。
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DCM或CCM工作模式
CCM的優(yōu)缺點(diǎn)：
初級(jí)峰值電流相對(duì)較小，但會(huì)疊加較大的直流成分，需要增加氣隙以 防止變壓器飽和；占空比跟輸出的電流大小無(wú)關(guān)，故適合于負(fù)載電流 變化較大的場(chǎng)合；對(duì)次級(jí)輸出的電容要求相對(duì)較低，有利于降低電容 的容量與體積。 次級(jí)整流二極管存在反向恢復(fù)的問(wèn)題，從而引起發(fā)熱與EMI問(wèn)題；反 饋補(bǔ)償復(fù)雜，存在右半面零點(diǎn)的問(wèn)題；需要較大的磁芯與較多的初級(jí) 匝數(shù)。
DCM或CCM工作模式
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決定電路工作模 式的參數(shù)是初級(jí) 勵(lì)磁電感與負(fù)載 電流。 輸出功率小或輸 出電流小的電源 適合采用DCM模 式，相反輸出大 電流或大功率的 電源適合采用 CCM模式。 對(duì)于一個(gè)確定功 率的電源，低壓 CCM，高壓DCM 是較理想的選擇。
漏感與分布電容
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漏磁通：
耦合電感或變壓器中，由 一次繞組產(chǎn)生，且不能匝 鏈到二次繞組的部分磁通。 （如右圖）
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漏感：
不能耦合到二次側(cè)的電感， 分布在變壓器的整個(gè)線圈 中，跟繞組是串聯(lián)關(guān)系， 因 能量不能向二次側(cè)釋放， 所以在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)刻會(huì) 產(chǎn)生較大電壓尖峰。
漏感與分布電容
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漏感的真實(shí)值：
對(duì)反激變壓器工作過(guò)程有影響的漏感，不僅僅包含初級(jí)不能耦合到次 級(jí)的電感，還包含變壓器二次繞組的漏感通過(guò)匝比折算到初級(jí)的漏感， 以及布線所產(chǎn)生的電感，通過(guò)匝比折算到初級(jí)的電感
即
Llk=Llkp+n^2*Llks+n^2*LlZS
在輸出低電壓大電流的電源中，次級(jí)折算過(guò)來(lái)的電感可能比一次電感 還要大，這將大大降低電源的整體效率。
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真實(shí)漏感的測(cè)量：
將待測(cè)變壓器焊接到?jīng)]有裝元器件的實(shí)際PCB上，將初級(jí)繞組開(kāi)路， 并將所有二次繞組的整流二極管以及濾波電容短路，然后測(cè)量初級(jí)繞 組的電感，得到的值就是漏感的真實(shí)值。
漏感與分布電容
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數(shù)學(xué)估算真實(shí)漏感：
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在1oz的FR-4的PCB上，每英寸的布線電感約為20nH。 在估算時(shí)，必須要將高頻電流流過(guò)的通路進(jìn)行合理的等效，最后得到 的電感要按照匝比的平方折算到初級(jí)。
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漏感電路的影響：
如右圖，漏感將使電路波形產(chǎn)生振蕩，增 加MOSFET的電壓應(yīng)力與發(fā)熱，使電源的 整體EMI性能變差。
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解決措施：
增加Snubber電路，鉗位峰值電壓，并將 部分的損耗轉(zhuǎn)移 。 優(yōu)化變壓器的繞制工藝，調(diào)整PCB Layout, 達(dá)到漏感最小化的目的。 選用窗口面積寬的磁芯骨架。
漏感與分布電容
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變壓器分布電容的危害：
A：可能使變壓器諧振（主要是LC振蕩） B：在方波驅(qū)動(dòng)的變壓器中，會(huì)產(chǎn)
生很大的一次電流尖峰 C：可能與其他的電路產(chǎn)生靜電耦合，影響EMI
分布電容的種類
匝間電容：繞組匝與匝之間的等效電容 層間電容：繞組層與層之間的等效電容 繞組間電容：各繞組之間的等效電容 雜散電容：繞組與 磁芯，外部散熱片，PCB之間的等效電容 可用一個(gè)等效參數(shù)Cp來(lái)表示總的分布電容，變壓器浸凡立水之后， 或電源整體灌膠之后，此參數(shù)將發(fā)生改變。
漏感與分布電容
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匝間電容
如左下圖，匝間電容在高壓輸出時(shí)，可能改變繞組間的絕緣強(qiáng)度，特 別在單槽骨架中，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起匝間擊穿短路
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改進(jìn)方法如右邊的圖紙，一般采用多槽的骨架進(jìn)行分段繞制，減 少匝間電容的影響
漏感與分布電容
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層間電容
層間電容占變壓器總分布電容的比例相當(dāng)大，是引起電路中電壓振蕩 與電流尖峰的元兇
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一般采用優(yōu)選變壓器磁芯骨架，改善變壓器繞制方法，如Z形繞 法，U形繞法，累進(jìn)式繞法等，來(lái)降低分布電容對(duì)電路中電壓與 電流的影響
漏感與分布電容
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繞組與繞組間的電容
繞組間電容是共模信號(hào)耦合的重要通路；一般采用增加絕緣厚度，增 加法拉第屏蔽層等方法來(lái)減少繞組間電容
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雜散電容
是將開(kāi)關(guān)噪音與共模干擾信號(hào)耦合到其他電路中的通道；一般采用接 地或增加屏蔽，將干擾接地等措施來(lái)改善
氣隙的作用與選取
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開(kāi)氣隙的目的與作用：
氣隙能使磁芯的等效 磁路長(zhǎng)度增加，減少 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)調(diào)。 氣隙雖不能對(duì)磁通的 直流成分進(jìn)行完全的 修正，但是能使磁通 的直流成份基本維持 不變，因氣隙增加了 磁路中的磁阻，在磁 動(dòng)勢(shì)一定時(shí)，可以控 制磁芯的磁通密度， 從而平衡直流成分的 影響。
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氣隙的作用與選取
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氣隙為何儲(chǔ)存變壓器的大部分 能量? 簡(jiǎn)單講就是氣隙的磁阻比磁芯 大得多，導(dǎo)致大部分的磁動(dòng)勢(shì) 都降落在氣隙上，氣隙跟磁通 密度成反比。
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注意： 氣隙處的填充材料必須為逆磁 性的材料，否則可能會(huì)造成氣 隙短路現(xiàn)象，達(dá)不到開(kāi)氣隙的 本來(lái)目的；而且需要保持結(jié)構(gòu) 上的平衡，以使邊沿磁通噪聲 最小化。
氣隙的作用與選取
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氣隙處的散磁
由于邊緣磁通的存在，部分散 磁會(huì)被靠近變壓器的元器件拾 取，從而干擾其他器件的工作； 解決方法就是在氣隙處外包一 層屏蔽層，如下圖。
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邊緣磁通
磁力線在氣隙處由于失去了磁芯的約 束，在氣隙的周圍，部分磁力線以高 損失的路徑重新進(jìn)入磁芯，這就引起 了磁芯在氣隙處的發(fā)熱問(wèn)題
氣隙的作用與選取
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開(kāi)氣隙的方法：
磨氣隙：加工簡(jiǎn)單，量產(chǎn)一致性好；中柱處由于邊緣磁通影響易發(fā)熱
墊氣隙：工藝復(fù)雜，不易控制一致性，易散磁；磁通分布均勻
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變壓器的繞制技術(shù)
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三明治繞法的是與非
三明治繞法的好處主要是增加初次級(jí) 的耦合面積，降低漏感，從而可以降 低MOSFET關(guān)斷時(shí)的漏感尖峰電壓， 降低MOSFET的電壓應(yīng)力，在低壓輸 出時(shí)可以提升效率。 但在增加耦合面積的同時(shí)，使繞組間 的分布電容加大，而繞組間電容是共 模干擾信號(hào)主要的傳遞路徑，故三明 治繞法會(huì)使EMI性能變差。 采用初級(jí)包次級(jí)還是次級(jí)包初級(jí)的繞 法，主要是從EMI(du/dt)與散熱(大電 流流過(guò)繞組)兩個(gè)方面來(lái)考慮的。
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變壓器的繞制技術(shù)
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疏繞跟密繞:
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疏繞（勻繞）
繞組均勻分布在變壓器窗口中； 繞組的匝間電容影響小，跟其他 的繞組耦合程度高，漏感小，有 利于輸出電壓的穩(wěn)定性。但繞制 工藝不好控制。
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密繞
繞組緊密的繞制在變壓器的中間 或兩邊；繞制工藝簡(jiǎn)單，有利于 后續(xù)繞組的平整度控制。但匝間 電容與漏感稍大，在輸出電壓較 低，電流小的場(chǎng)合對(duì)輸出電壓有 一定影響。
變壓器的繞制技術(shù)
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單層圈數(shù)的計(jì)算：
在計(jì)算單層圈數(shù)時(shí)，是通 過(guò)骨架寬度除以漆包線的 外徑，得到的值需要將小 數(shù)點(diǎn)以后的數(shù)值舍去，并 需要減去一圈作為進(jìn)出線 的余量。 例：EFD30的幅寬是20mm， 假如初級(jí)線徑是0.5mm(外 徑則為0.55mm)，那么可 以繞制最多的圈數(shù)是 20mm/0.55mm-1=35.36 取整之后為35T
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注意：
在進(jìn)線與出線的邊沿，特別是多股 線同時(shí)繞制時(shí)，由于漆包線的折彎， 造成占用的空間比正常繞組一圈時(shí) 大
變壓器的繞制技術(shù)
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盡量繞滿整數(shù)層
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在計(jì)算好變壓器匝數(shù)與線徑直之后，接下來(lái)需要根據(jù)骨架寬度與深 度驗(yàn)算是否能容納下所有的繞組，此時(shí)需要考慮漆包線的外徑，擋 墻寬度，絕緣膠帶厚度，折線厚度等因素。 當(dāng)發(fā)現(xiàn)繞組不是整數(shù)層時(shí)，就需要調(diào)整匝數(shù)或線徑以滿足單個(gè)繞組 為整數(shù)層的要求，因?yàn)樾?shù)層繞組(特別處在最里層時(shí))容易造成后 續(xù)的繞組不平整，從而影響繞線的分布參數(shù)與絕緣強(qiáng)度。
變壓器的繞制技術(shù)
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繞組的絕緣
當(dāng)繞完一個(gè)繞組之后，繞組 需要將線折回到進(jìn)線端的骨 架定位腳時(shí)，需要先包1-2層 膠帶進(jìn)行絕緣，然后才將線 折過(guò)來(lái)。 且線盡量以90度左右的角度 折彎，以盡量滿足對(duì)匝數(shù)精 度的要求。 繞線為了滿足安規(guī)對(duì)絕緣的 要求，一般加擋墻或使用三 重絕緣線，且各繞組之間加 高強(qiáng)度的絕緣膠帶。
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安規(guī)與EMI的考慮
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關(guān)于安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)
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關(guān)于安規(guī)的一些要求
如果次級(jí)繞組不能跟鐵芯保持安規(guī) 的距離要求時(shí)，那么鐵芯就被當(dāng)成 次級(jí)元件，必須跟初級(jí)保持足夠的 安規(guī)距
離。
一般用途的Adapter: IEC/EN61558-2-6 一般用途的Charger: IEC/EN60335-2-29 IT類專用的Adapter: IEC/EN60590 音響視訊類專用的Adapter: IEC/EN60065 醫(yī)療儀器類專用的Adapter: IEC/EN60601 量測(cè)儀器類專用的Adapter: IEC/EN61010
注意：
IEC/EN60335-2-29的初、級(jí)側(cè)繞組 跟鐵芯的爬電距離是4.0mm，初次 級(jí)元件之間的距離是8.0mm
BOBBIN厚度的要求：
IEC/EN61558-2-6與IEC/EN603352-29規(guī)定要大于1.0mm，其余的為 0.4mm
安規(guī)與EMI的考慮
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變壓器是怎樣影響EMI的？
變壓器的分布電容，是引起初級(jí)到次級(jí)的共模與差模干擾的根本原因
安規(guī)與EMI的考慮
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變壓器的EMI處理
從原理上來(lái)說(shuō)，最有利于EMI的繞法是減少初次級(jí)之間的耦合電容， 也就是說(shuō)要加大初次級(jí)之間的距離，但這又會(huì)增大漏感，反而會(huì)增大 電路損耗與EMI強(qiáng)度，所以需要綜合考慮。 一般常見(jiàn)的方法是在初次級(jí)之間增加一個(gè)Y電容，將返回地線的共模 電流直接短路到初級(jí)地線，減少通過(guò)地線返回的電流。 還有一種方法是在初次級(jí)繞組之間加入法拉第屏蔽層（靜電屏蔽）， 將初次級(jí)之間的共模信號(hào)直接短路到初級(jí)地，有加銅箔(0.9T或1.1T) 與加繞組(繞組的感應(yīng)電壓與被屏蔽繞組電壓相反)兩種方法。 對(duì)于輻射一般是在變壓器最外層加入一個(gè)短路的屏蔽銅箔，將輻射的 電磁能量以渦流的形式消耗掉，且渦流的磁場(chǎng)方向跟原變壓器的干擾 磁場(chǎng)相互抵消。
變壓器的驗(yàn)證與優(yōu)化
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經(jīng)常碰到的棘手問(wèn)題：
接線（多股線，銅箔,飛線） 進(jìn)線與出線交叉，影響EMI 破皮(線徑，絕緣強(qiáng)度) 多線并饒（絞合，繞線平整度） 骨架窗口的有效利用率（安規(guī)擋墻，接線端口） 繞組的趨膚效應(yīng)與臨近效應(yīng) 變壓器的損耗溫升考慮 變壓器設(shè)計(jì)的折中（體積，效率，溫升，成本，工藝）
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……
待續(xù) ……
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