單片開關電源高頻變壓器降低其損耗及抑制音頻噪聲的方法

1引言

單片開關電源集成電路具有集成度高，性價比高，外圍電路簡單，性能指標好的優點。它們可以形成高效的隔離式開關電源，而無需使用電源變壓器。從1994年到2001年，TOPSwitch，TOPSwitch-Ⅱ，TOPSwitch-FX，TOPSwitch-GX，TinySwitch，TinySwitch-Ⅱ等系列單片機開關電源產品已在國際上推出。首選的集成電路為電源，周密開關電源和開關電源模塊。

高頻變壓器是開關電源中能量存儲和傳輸的重要組件。單芯片開關電源中高頻變壓器的性能不僅對電源效率有較大的影響，而且直接影響電源的其他技術指標和電磁兼容性。 （EMC）。因此，高效率的高頻變壓器應具有直流損耗和交流損耗低，漏電感小，繞組本身的分布電容以及繞組之間的耦合電容小的條件。設計要點描述如下。

2減少高頻變壓器的損耗

2.1直流損耗

高頻變壓器的直流損耗是由線圈的銅損耗引起的。為了提高效率，應完可能選擇較粗的電線，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和磁芯的損耗引起的。高頻電流在通過導線時總是趨于從表面流出，這將減小導線的有效流通面積，并使導線的交流等效阻抗大大高于銅電阻。高頻電流對導體的穿透能力和開關頻率的平方根成反比。為了降低交流銅阻抗，導線的半徑不得超過高頻電流深度的兩倍?？捎镁€徑和開關頻率之間的關系如圖1所示。例如，當f = 100kHz時，線徑理論上可以為φ0.4mm。但是，為了減少集膚效應，實際上可以在多股中使用較細的導線而不是較粗的導線?；旌戏绞?。
高頻變壓器的鐵損也降低了電源的效率。交流磁通密度可以通過以下公式估算：

BAC =（0.4πNPIPKRP）/ 22δ

式中：BAC為交流磁通密度，單位為T；

NP和IP分別是初級匝數和初級峰值電流。

KRP是初級紋波電流和峰值電流之比；

δ是磁芯的氣隙寬度，單位為厘米。

為了設計工作在連續模式下的高頻變壓器，BAC的典型值約為0.04至0.075T。 100kHz時鐵氧體磁芯的損耗應小于50mW / cm3。

3降低高頻變壓器的漏感

設計高頻變壓器時，必須使漏感小。因為漏感越大，產生的峰值電壓的幅度越高，漏極鉗位電路的損耗就越大，這將不可幸免地導致電源效率的降低。對于符合絕緣和安全標準的高頻變壓器，當次級線圈斷開時，漏感應為初級線圈電感的1？o 3？f。為了達到小于1μm的目標，在制造過程中將很難實現?？梢圆扇∫韵麓胧﹣頊p小漏感。

1）減少初級繞組NP的匝數；

2）增加繞組的寬度（例如，選擇EE型磁芯以增加框架寬度b）；

3）增加繞組的高寬比；

4）減少繞組之間的絕緣層；

5）增加繞組之間的耦合。

3.1減少初級繞組匝數并增加高寬比

選擇合適的鐵心形狀并減少初級匝數并增加高寬比可以有效地降低漏感。漏感量和初級匝數的平方成正比。所選磁芯的尺寸應足夠大，以便可以將初級繞組纏繞成兩層或更少的層，從而可以使初級漏感和分布電容小。不要使用笨重的窗芯，因為它尺寸大，高寬比小和漏感大，因此不適合使用。它對應于POT，RM，PQ類型和某些E類型的內核。建議使用細高的鐵芯，該鐵芯的高寬比大，和EE，ETD，EI和EC鐵芯相對應。

三層絕緣線（Triple Insulated Wire）是近年來國際上新開發的高性能絕緣線。該電線具有三個絕緣層，中間有芯線。絕緣層是金黃色聚酰胺膜，在國外被稱為“金膜”。絕緣層的總厚度僅為20?100μm，但可以承受幾kV的脈沖高壓；三層絕緣線適用于尖端技術和國防領域。在該領域，它制造用于微型開關電源的微型電動機繞組和高頻變壓器繞組。優點是絕緣強度高（任何兩層之間都可以承受AC 3000V的任何安全電壓），不需要阻擋層來確保安全裕度，并且無需在級之間纏繞絕緣帶層；電流密度大。纏繞的高頻變壓器的體積比漆包線繞線的體積減少一半。高頻變壓器的一種優化設計方案是使用一般的高強度漆包線纏繞初級和反饋級，并使用三層絕緣線纏繞次級。這樣，可以大大減小漏感，并且可以將高頻變壓器的體積減小1/2至1/3。

3.2繞組布置

為了減少漏感，繞組應同心排列，如圖2所示。在圖2（a）中，次級繞組用三層絕緣線纏繞；在圖2（b）中，全部導線都用漆包線包裹，但是必須留有安全裕度，并且在次級繞組和反饋繞組之間添加了增強的絕緣層。對于具有多個輸出的開關電源，具有高輸出功率的次級繞組應靠近初級，以增加耦合并減少磁場泄漏。當次級匝數較少時，為了增加和初級繞組的耦合，建議使用多股并聯并均勻分布在整個骨架上以增加覆蓋面積。在條件同意的情況下，使用金屬箔繞組作為次級繞組也是增加耦合的一種好方法。
在開關電源工作期間，繞組的分布電容反復充電和放電，并汲取繞組上的能量。分布電容不僅會降低電源效率，而且還會形成具有繞組分布電感的LC振蕩器，這會產生振鈴噪聲。初級繞組中分布電容的影響非常明顯。為了減小分布電容，導線的每一匝的長度應小化，并且初級繞組的起點應連接到漏極。初級繞組的一部分應用作屏蔽，以減少相鄰繞組的耦合。

4抑制高頻變壓器的音頻噪聲

4.1抑制高頻變壓器的音頻噪聲

高頻變壓器EE或EI磁芯之間的吸引力會導致兩個磁芯偏移。繞組電流彼此之間的吸引或排斥也會導致線圈移位。其它，當機械振動時，會引起周期性變形。以上全部因素都會導致高頻變壓器在運行過程中發出音頻噪聲。低于10 W的單片開關電源的音頻頻率約為10 kHz至20 kHz。

為了預防磁芯之間的相對位移，通常使用環氧樹脂作為粘合劑來粘合兩個磁芯的三個接觸表面（包含中心柱）。但是這種剛性連接的效果并不理想。因為這不能使音頻噪聲和粘膠過多小化，所以磁芯在受到機械應力時很簡單折斷。國外近采納了特別的“玻璃珠”（glass beads）粘合劑來粘結EE，EI等類型的鐵氧體磁芯，效果特別好。這種膠水是玻璃珠和膠水的比例為1：9的混合物。將其放在高于100°C的溫度環境中1小時即可固??化。其作用類似于滾珠軸承。固化后，每個芯仍舊可以在很小的范圍內獨站變形或移位，并且總體位置保持不變，這在抑制變形方面起到了作用。用玻璃微珠膠粘合的高頻變壓器的內部結構如圖3所示。使用此過程可以將音頻噪聲降低5dB。
4.2高頻變壓器的屏蔽

為了預防高頻變壓器的漏磁場干擾相鄰的電路，可以將銅片纏繞在變壓器的外部以形成屏蔽帶，如圖2所示。 4.屏蔽帶相當于短路環，可以抑制漏磁場。屏蔽帶應接地。

5結論

單芯片開關電源高頻變壓器的設計要點分為三個方面：

1）大限度地減少高頻變壓器的損耗；

2）完量減少高頻變壓器的漏感；

3）嘗試抑制高頻變壓器的音頻噪聲。

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