模塊電源中平面變壓器的設計與應用

作者　趙鳳儉1 趙玉明2 張麗潔3 1.睿查森電子貿易(中國)有限公司(北京 100020) 2.天地科技股份有限公司(北京 100013) 3.北京華清能源科技有限公司(北京 100080)

　　趙鳳儉(1979-)，男，碩士，高級工程師，研究方向：電力電子設備及元器件應用的相關技術;趙玉明，男，碩士，副研究員，研究方向：特殊施工技術應用及監測監控技術開發;張麗潔，女，工程師，研究方向：新能源設備的電氣設計。

摘要：本文基于開關電源中變壓器的工作原理和平面變壓器自身特點，對模塊型開關電源中的平面變壓器的設計、加工、工藝和應用進行了全面研究。明確指出平面變壓器在各種常見電路拓撲中的適用性問題，給出了平面變壓器設計的參數計算過程，并進行了具體實例的參數計算。介紹了電路板繞組設計、平面變壓器裝配和電源整機工藝設計，給出了平面變壓器和電源整機實際設計與應用案例，并對整機進行性能測試，驗證了設計的可行性及合理性。

引言

　　模塊型開關電源廣泛應用于工業、航空航天、計算機硬件及電信等各個領域中，其核心部件之一為高頻變壓器。在實際的應用中，開關電源小型化、輕量化始終都是技術發展趨勢，而高頻變壓器在開關電源小型化過程中起著關鍵作用^[1~2]。隨著磁性材料的改進和功率半導體器件工作頻率的提高，使得高頻變壓器的重量和尺寸減小成為可能。

　　平面型變壓器在提高模塊型開關電源的特性方面有著很大的優勢，因此，近年來得到了廣泛的應用。采用鐵氧體磁芯和多層電路板繞組的平面型變壓器，具有高度低、體積小、效率高、電磁干擾小、產品一致性好、適合自動化表面貼裝等特點，尤其適用于空間或高度存在限制、對節能及散熱要求苛刻的模塊型電源產品，具有廣闊的應用前景^[3~4]。

1 電路拓撲適用性

　　正激及其衍生出的雙管正激等電路拓撲的高頻隔離變壓器，在單路輸出時，由于原副邊都沒有中間抽頭，使得平面型變壓器的電路板繞組設計和加工工藝簡單，且磁芯不需要開氣隙，特別適用于大批量自動化生產。而對于橋類電路拓撲，如需要變壓器引出中間抽頭，則其變壓器在設計和加工工藝方面相對正激拓撲較為復雜。

2 變壓器的參數計算

　　開關電源中變壓器的參數計算步驟如下：

　　1)根據開關電源性能參數要求，選擇合適的電路拓撲;

　　2)磁芯體積選擇計算;

　　3)確定磁芯型號及其相關參數;

　　4)確定變壓器匝比;

　　5)計算原邊匝數;

　　6)根據匝比和原邊匝數，確定副邊匝數;

　　7)反推實際最大占空比;

　　8)反推實際ΔB。

　　以150W功率、輸入直流電壓200~400V、輸出直流電壓24V模塊型開關電源進行設計舉例。采用AP法^[5-6]，確定磁芯大小，考慮雙管正激電路拓撲的自身特點和類似產品的設計調試經驗，取開關頻率fs=300kHz，對應開關周期T=3.3μs，并設置最大占空比δmax=0.41;采用宜賓金川RM2.3KD磁材^[7]，取磁感應強度變化量ΔB=1800GS。

　　經過計算得到的實際ΔB值小于1800GS，最大占空比小于0.41，滿足設計要求，且有一定余量。故可確定使用EI22磁芯^[7]，按照原副邊匝數比19：6完成此款模塊型開關電源的變壓器設計。

3 電路板繞組設計

　　基于EI22磁芯的外形尺寸和原副邊的匝數開展電路板繞組的設計。平面型EI磁芯的長、寬、高依次為21.8mm、15.8mm、9.2mm，窗口高度為4.2mm?？紤]到8層電路板的標準厚度為1.6mm，故采用兩塊8層電路板并聯擺放的設計。每塊8層電路板包含事先計算好的原副邊匝數，當采用兩塊電路板并聯時，等同為繞組并聯，用以增加導體截面積，裝配截面如圖1所示。

　　加工時斷開拼版橋連部分，即可獲得一個變壓器的完整電路板繞組。整個設計中全部過孔設計采用貫穿孔，不設埋孔和盲孔。用于不同層繞組相互連接的貫穿孔副邊繞組采用雙孔設計，保證連接的可靠性，也加強了層間的同流能力。具體損耗計算可參見文獻[8-9] 。

4 平面變壓器加工工藝

　　變壓器裝配位置標注圖如圖2所示。其中原邊繞組NP1匝數為19，繞組引出端為C和D，C為繞組起始端，D為結尾端;副邊繞組NS1匝數為6，繞組引出端為G和H，G為繞組起始端，H為結尾端。

　　變壓器生產加工步驟如下：

　　1)將電路板在橋連部位折斷，變為成套的兩塊小電路板。用鉗子剪掉板上殘余的橋連部分;

　　2)將帶有板號標識的電路板向上放置，操作時要看得見板號標識;

　　3)將另一塊沒有板號標識的電路板放在下面，此時兩塊電路板上的45度倒角要對齊;

　　4)將拼好的成對電路板插入變壓器合板工裝，在A、B兩處的板縫點適量的黏合膠，將兩塊電路板粘在一起，盡量減小兩板之間的空隙;

　　5)將固定后的電路板裝入EI22磁芯，板號標識與I磁芯在同一側，使用磁材粘合劑將E磁芯和I磁芯粘在一起，夾上夾子;

　　6)在電路板的C、D焊盤上測量電感量要求大于2 mH (測試條件為100kHz，1V);

　　7)烘烤，使磁材固定。要求在烘烤前后目測E磁芯與I磁芯是否對齊;

　　8)冷卻后再次測量電感量;

　　9)在E磁芯上粘上雙面膠;

　　10)進行抗電強度測試，測試參數如表1。

　　兩塊繞組電路板的倒角對齊，45°倒角為極性標識。加工完成的平面變壓器實物如圖3所示。

5 電源整機工藝

　　電源整體采用上下兩塊電路板的方式，分為鋁基板和印制板兩部分，兩塊電路板需要分別進行生產焊接，再拼裝為整機，最后進行上下電路板的信號連接。

　　上層印制板為雙面覆銅板，控制電路、反饋電路、保護電路等功耗小的元器件在印制板上。下層為鋁基板，變壓器、電感、開關管等大功率器件布放在鋁基板上。印制板和鋁基板之間的信號通路用針連接，鋁基板四角鉚裝螺母用于安裝散熱器。

　　變壓器進行安裝定位之后，利用E磁芯下表面的導熱雙面膠與鋁基板粘合固定在一起，再在如圖2所示的C、D過孔焊盤插入直徑為1.0mm的連接針，G、H過孔焊盤插入直徑為2.0mm的連接針，并在焊盤上放置適量錫膏，同其它元器件一起過回流焊。

　　安裝變壓器時，要貼平、壓緊，以減小熱阻，保證能良好散熱。鋁基板進行回流焊時，應注意爐溫和帶速的控制，確保器件可靠焊接的同時，盡量避免焊接后在鋁基板上錫珠和松香的過多出現。

6 設計與應用案例

　　根據上述的設計方法和步驟，將采用EI22磁芯的平面變壓器用于雙管正激電路拓撲的模塊型開關電源中，實現單機150W功率、輸入直流電壓200~400V、輸出直流電壓24V的產品設計。該產品的整體外形尺寸的長、寬、高依次為86mm、72mm、12.7mm。

　　在輸入直流電壓為400V，額定輸出工況時，持續工作兩個小時后，整機中各個器件的溫升到達穩定狀態，產品的熱成像如圖4所示，測試環境溫度在23.5℃情況下，整機中變壓器溫度最高為72.6℃;在輸入直流電壓為200V，額定輸出工況時，持續工作兩個小時后，整機中各個器件的溫升到達穩定狀態，產品熱成像圖如圖5所示，測試環境溫度在22.9℃情況下，整機中變壓器溫度最高為83.6℃。

7 結論

　　本文詳細闡述了模塊型開關電源中的平面變壓器的設計、加工、應用的全過程。基于平面變壓器本身的加工工藝復雜度角度，明確指出了平面變壓器在各種常見電路拓撲中的適用性問題，并在雙管正激電路拓撲機車上開展了平面變壓器設計的參數計算，并給出具體實例參數計算過程。通過介紹平面變壓器的電路板繞組設計方法和具體設計過程，展示了多層電路繞阻的鋪設細節和拼版設計技巧。闡述了平面變壓器加工和電源整機工藝設計，給出了變壓器和電源整機的實際設計與應用案例，并對整機進行性能測試，驗證了設計的可行性及合理性，為平面變壓器的大批量自動化生產提供技術和應用參考。

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　　本文來源于《電子產品世界》2017年第8期第58頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。