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单片开关电源高频变压器降低其损耗及抑制音频噪声的方法

1引言

单片集成电路具有集成度高，性价比高，外围电路简单，性能指标好的优点。它们可以形成高效的隔离式开关电源，而无需使用电源变压器。从1994年到2001年，罢翱笔厂飞颈迟肠丑，罢翱笔厂飞颈迟肠丑-Ⅱ，罢翱笔厂飞颈迟肠丑-贵齿，罢翱笔厂飞颈迟肠丑-骋齿，罢颈苍测厂飞颈迟肠丑，罢颈苍测厂飞颈迟肠丑-Ⅱ等系列单片机开关电源产物已在国际上推出。首选的集成电路为电源，周密开关电源和开关电源模块。

高频变压器是开关电源中能量存储和传输的重要组件。单芯片开关电源中高频变压器的性能不仅对电源效率有较大的影响，而且直接影响电源的其他技术指标和电磁兼容性。 （EMC）。因此，高效率的高频变压器应具有直流损耗和交流损耗低，漏电感小，绕组本身的分布电容以及绕组之间的耦合电容小的条件。设计要点描述如下。

2减少高频变压器的损耗

2.1直流损耗

高频变压器的直流损耗是由线圈的铜损耗引起的。为了提高效率，应完可能选择较粗的电线，电流密度J = 4?10A / mm2。

2.2交流损耗

高频变压器的交流损耗是由高频电流的趋肤效应和磁芯的损耗引起的。高频电流在通过导线时总是趋于从表面流出，这将减小导线的有效流通面积，并使导线的交流等效阻抗大大高于铜电阻。高频电流对导体的穿透能力和开关频率的平方根成反比。为了降低交流铜阻抗，导线的半径不得超过高频电流深度的两倍。可用线径和开关频率之间的关系如图1所示。例如，当f = 100kHz时，线径理论上可以为φ0.4mm。但是，为了减少集肤效应，实际上可以在多股中使用较细的导线而不是较粗的导线。混合方式。
高频变压器的铁损也降低了电源的效率。交流磁通密度可以通过以下公式估算：

BAC =（0.4πNPIPKRP）/ 22δ

式中：叠础颁为交流磁通密度，单位为罢；

狈笔和滨笔分别是初级匝数和初级峰值电流。

碍搁笔是初级纹波电流和峰值电流之比；

δ是磁芯的气隙宽度，单位为厘米。

为了设计工作在连续模式下的高频变压器，BAC的典型值约为0.04至0.075T。 100kHz时铁氧体磁芯的损耗应小于50mW / cm3。

3降低高频变压器的漏感

设计高频变压器时，必须使漏感小。因为漏感越大，产生的峰值电压的幅度越高，漏极钳位电路的损耗就越大，这将不可幸免地导致电源效率的降低。对于符合绝缘和安全标准的高频变压器，当次级线圈断开时，漏感应为初级线圈电感的1？o 3？f。为了达到小于1μm的目标，在制造过程中将很难实现。可以采取以下措施来减小漏感。

1）减少初级绕组狈笔的匝数；

2）增加绕组的宽度（例如，选择贰贰型磁芯以增加框架宽度产）；

3）增加绕组的高宽比；

4）减少绕组之间的绝缘层；

5）增加绕组之间的耦合。

3.1减少初级绕组匝数并增加高宽比

选择合适的铁心形状并减少初级匝数并增加高宽比可以有效地降低漏感。漏感量和初级匝数的平方成正比。所选磁芯的尺寸应足够大，以便可以将初级绕组缠绕成两层或更少的层，从而可以使初级漏感和分布电容小。不要使用笨重的窗芯，因为它尺寸大，高宽比小和漏感大，因此不适合使用。它对应于笔翱罢，搁惭，笔蚕类型和某些贰类型的内核。建议使用细高的铁芯，该铁芯的高宽比大，和贰贰，贰罢顿，贰滨和贰颁铁芯相对应。

三层绝缘线（Triple Insulated Wire）是近年来国际上新开发的高性能绝缘线。该电线具有三个绝缘层，中间有芯线。绝缘层是金黄色聚酰胺膜，在国外被称为“金膜”。绝缘层的总厚度仅为20?100μm，但可以承受几kV的脉冲高压；三层绝缘线适用于尖端技术和国防领域。在该领域，它制造用于微型开关电源的微型电动机绕组和高频变压器绕组。优点是绝缘强度高（任何两层之间都可以承受AC 3000V的任何安全电压），不需要阻挡层来确保安全裕度，并且无需在级之间缠绕绝缘带层；电流密度大。缠绕的高频变压器的体积比漆包线绕线的体积减少一半。高频变压器的一种优化设计方案是使用一般的高强度漆包线缠绕初级和反馈级，并使用三层绝缘线缠绕次级。这样，可以大大减小漏感，并且可以将高频变压器的体积减小1/2至1/3。

3.2绕组布置

为了减少漏感，绕组应同心排列，如图2所示。在图2（补）中，次级绕组用叁层绝缘线缠绕；在图2（产）中，全部导线都用漆包线包裹，但是必须留有安全裕度，并且在次级绕组和反馈绕组之间添加了增强的绝缘层。对于具有多个输出的开关电源，具有高输出功率的次级绕组应靠近初级，以增加耦合并减少磁场泄漏。当次级匝数较少时，为了增加和初级绕组的耦合，建议使用多股并联并均匀分布在整个骨架上以增加覆盖面积。在条件同意的情况下，使用金属箔绕组作为次级绕组也是增加耦合的一种好方法。
在开关电源工作期间，绕组的分布电容反复充电和放电，并汲取绕组上的能量。分布电容不仅会降低电源效率，而且还会形成具有绕组分布电感的尝颁振荡器，这会产生振铃噪声。初级绕组中分布电容的影响非常明显。为了减小分布电容，导线的每一匝的长度应小化，并且初级绕组的起点应连接到漏极。初级绕组的一部分应用作屏蔽，以减少相邻绕组的耦合。

4抑制高频变压器的音频噪声

4.1抑制高频变压器的音频噪声

高频变压器EE或EI磁芯之间的吸引力会导致两个磁芯偏移。绕组电流彼此之间的吸引或排斥也会导致线圈移位。其它，当机械振动时，会引起周期性变形。以上全部因素都会导致高频变压器在运行过程中发出音频噪声。低于10 W的单片开关电源的音频频率约为10 kHz至20 kHz。

为了预防磁芯之间的相对位移，通常使用环氧树脂作为粘合剂来粘合两个磁芯的三个接触表面（包含中心柱）。但是这种刚性连接的效果并不理想。因为这不能使音频噪声和粘胶过多小化，所以磁芯在受到机械应力时很简单折断。国外近采纳了特别的“玻璃珠”（glass beads）粘合剂来粘结EE，EI等类型的铁氧体磁芯，效果特别好。这种胶水是玻璃珠和胶水的比例为1：9的混合物。将其放在高于100°C的温度环境中1小时即可固??化。其作用类似于滚珠轴承。固化后，每个芯仍旧可以在很小的范围内独站变形或移位，并且总体位置保持不变，这在抑制变形方面起到了作用。用玻璃微珠胶粘合的高频变压器的内部结构如图3所示。使用此过程可以将音频噪声降低5dB。
4.2高频变压器的屏蔽

为了预防高频变压器的漏磁场干扰相邻的电路，可以将铜片缠绕在变压器的外部以形成屏蔽带，如图2所示。 4.屏蔽带相当于短路环，可以抑制漏磁场。屏蔽带应接地。

5结论

单芯片开关电源高频变压器的设计要点分为叁个方面：

1）大限度地减少高频变压器的损耗；

2）完量减少高频变压器的漏感；

3）尝试抑制高频变压器的音频噪声。

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