單片開關電源高頻變壓器的設計要點

摘要：高頻變壓器是單片開關電源的核心部件，鑒于這種高頻變壓器在設計上有其特殊性，為此專門闡述降低其損耗及抑制音頻噪聲的方法，可供高頻變壓器設計人員參考。

關鍵詞：單片開關電源；高頻變壓器；損耗；音頻噪聲；抑制

1 引言

單片開關電源集成電路具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等優點，能構成高效率無工頻變壓器的隔離式開關電源。在1994～2001年，國際上陸續推出了TOPSwitch、TOPSwitch-Ⅱ、TOPSwitch-FX、TOPSwitch-GX、TinySwitch、TinySwitch-Ⅱ等多種系列的單片開關電源產品，現已成為開發中、小功率開關電源、精密開關電源及開關電源模塊的優選集成電路。

高頻變壓器是開關電源中進行能量儲存與傳輸的重要部件，單片開關電源中高頻變壓器性能的優劣，不僅對電源效率有較大的影響，而且直接關系到電源的其它技術指標和電磁兼容性（EMC）。為此，一個高效率高頻變壓器應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。下面介紹其設計要點。

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，應盡量選擇較粗的導線，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以及磁芯的損耗引起的。高頻電流通過導線時總是趨向于從表面流過，這會使導線的有效流通面積減小，并使導線的交流等效阻抗遠高于銅電阻。高頻電流對導體的穿透能力與開關頻率的平方根成反比，為減小交流銅阻抗，導線半徑不得超過高頻電流可達深度的2倍。可供選用的導線線徑與開關頻率的關系曲線如圖1所示。舉例說明，當f=100kHz時，導線直徑理論上可取φ0.4mm。但為了減小趨膚效應，實際可用更細的導線多股并繞，而不用一根粗導線繞制。

圖1 導線線徑與開關頻率的關系曲線

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分別為初級匝數和初級峰值電流；

K_RP為初級脈動電流與峰值電流之比；

δ為磁芯的氣隙寬度，單位是cm。

欲設計在連續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時的損耗應低于50mW/cm³。

3 減小高頻變壓器的漏感

在設計高頻變壓器時必須把漏感減至最小。因為漏感愈大，產生的尖峰電壓幅度愈高，漏極鉗位電路的損耗就愈大，這必然導致電源效率降低。對于一個符合絕緣及安全性標準的高頻變壓器，其漏感量應為次級開路時初級電感量的1％～3％。要想達到1％以下的指標，在制造工藝上將難于實現。減小漏感時可采取以下措施：

1）減小初級繞組的匝數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 減小初級繞組匝數并增加高與寬之比

挑選合適的磁芯形狀，并且減小初級匝數和增加高與寬之比，能有效地降低漏感。漏感量與初級匝數的平方成正比。所選磁芯尺寸應足夠大，使初級繞組能繞成2層甚至不到2層，這樣可將初級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，它對應于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，它對應于EE、ETD、EI、EC型磁芯。