反激變壓器工程設計

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反激變壓器工程設計

電源網深圳電源技術交流會

2011年11月鄒超洋

內容提要

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反激電源的結構與應用匝比的選取 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安規與EMI的考慮變壓器的驗證與優化

反激電源的結構與應用

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，但多了一個隔離初、次級電壓的功能。但變壓器的設計比電感卻復雜得多，需要有很強的理論知識與豐富的實踐經驗，才能很好的平衡各個參數，達到設計規格的要求

反激電源的結構與應用

反激式開關電源因為其簡單的結構，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變壓器跟輸出元件（DCM模式時紋波電流更大），這會降低整體效率，所以反激不適合大功率特別是大電流的輸出場合，一般應用在小于150W的場合。反激電源中的變壓器由于集三大功能（儲能電感，電氣隔離，電壓與電流變換）于一身，而且在CCM模式工作時，變壓器還需要承受較大的直流成分，所以其工作狀態較其他單端正激類，雙端正激類拓撲（push-pull,half-birdge,full-bridge及相關衍生拓撲）的變壓器要復雜得多，很多電源工程師喜歡用純數學理論的方法去計算與設計，往往很難得到滿意的結果。其原因是因為變壓器的實際模型中有很多的分布參數很難估算，所以，工程應用設計中往往需要將很多的參數作折衷考慮，以便獲得更優的整體性能。

匝比的選取

匝比的選取跟電源的占空比息息相關 n = [Vin(min) / (Vo + Vf)] * [Dmax / (1-Dmax)] 或 Dmax = n*(Vo + Vf) / [Vin(min) + n*(Vo + Vf)]

由上式可以看出， Dmax ∝ n

反激電源中，如果采用電流控制模式，為了避免出現次諧波振蕩，建議最大占空比不要超過0.5，否則需要采用斜坡補償

匝比還決定這次級整流二極管的反向耐壓值 Vd = Vo + Vin(max) / n

匝比的選取

匝比決定著初級的MOSFET的電壓應力 Vmos = Vin(max) + n*(Vo + Vf)

由左圖可知，增大匝比會使開關 MOSFET的Vds 電壓應力增大， 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的優缺點：

所有功率元器件承受的峰值電流較大，電流的有效值也大，在一定程度上會影響電路的效率；大的di/dt會帶來EMI問題；因為占空比跟輸出的電流大小有關，要得到穩定的輸出，必定有個最小負載的問題；對次級輸出的電容要求也更高，否則會有很大的紋波問題。因為初級開關管開通前，次級整流二極管就已經關閉，

所以不存在反向恢復的問題；反饋補償容易，不存在右半面零點的問題，所以負載電流突變引起的瞬態響應更快，過沖也不會太高。

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DCM或CCM工作模式

CCM的優缺點：

初級峰值電流相對較小，但會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關，故適合于負載電流變化較大的場合；對次級輸出的電容要求相對較低，有利于降低電容的容量與體積。次級整流二極管存在反向恢復的問題，從而引起發熱與EMI問題；反饋補償復雜，存在右半面零點的問題；需要較大的磁芯與較多的初級匝數。

DCM或CCM工作模式

決定電路工作模式的參數是初級勵磁電感與負載電流。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。對于一個確定功率的電源，低壓 CCM，高壓DCM 是較理想的選擇。

漏感與分布電容

漏磁通：

耦合電感或變壓器中，由一次繞組產生，且不能匝鏈到二次繞組的部分磁通。（如右圖）

漏感：

不能耦合到二次側的電感，分布在變壓器的整個線圈中，跟繞組是串聯關系，因能量不能向二次側釋放，所以在開關管關斷時刻會產生較大電壓尖峰。

漏感與分布電容

漏感的真實值：

對反激變壓器工作過程有影響的漏感，不僅僅包含初級不能耦合到次級的電感，還包含變壓器二次繞組的漏感通過匝比折算到初級的漏感，以及布線所產生的電感，通過匝比折算到初級的電感

即

Llk=Llkp+n^2*Llks+n^2*LlZS

在輸出低電壓大電流的電源中，次級折算過來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。

真實漏感的測量：

將待測變壓器焊接到沒有裝元器件的實際PCB上，將初級繞組開路，并將所有二次繞組的整流二極管以及濾波電容短路，然后測量初級繞組的電感，得到的值就是漏感的真實值。

漏感與分布電容

數學估算真實漏感：

根據經驗，在1oz的FR-4的PCB上，每英寸的布線電感約為20nH。在估算時，必須要將高頻電流流過的通路進行合理的等效，最后得到的電感要按照匝比的平方折算到初級。

漏感電路的影響：

如右圖，漏感將使電路波形產生振蕩，增加MOSFET的電壓應力與發熱，使電源的整體EMI性能變差。

解決措施：

增加Snubber電路，鉗位峰值電壓，并將部分的損耗轉移。優化變壓器的繞制工藝，調整PCB Layout, 達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

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：在方波驅動的變壓器中，會產

生很大的一次電流尖峰 C：可能與其他的電路產生靜電耦合，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等效參數Cp來表示總的分布電容，變壓器浸凡立水之后，或電源整體灌膠之后，此參數將發生改變。

漏感與分布電容

匝間電容

如左下圖，匝間電容在高壓輸出時，可能改變繞組間的絕緣強度，特別在單槽骨架中，嚴重時會引起匝間擊穿短路

改進方法如右邊的圖紙，一般采用多槽的骨架進行分段繞制，減少匝間電容的影響

漏感與分布電容

層間電容

層間電容占變壓器總分布電容的比例相當大，是引起電路中電壓振蕩與電流尖峰的元兇

一般采用優選變壓器磁芯骨架，改善變壓器繞制方法，如Z形繞法，U形繞法，累進式繞法等，來降低分布電容對電路中電壓與電流的影響

漏感與分布電容

繞組與繞組間的電容

繞組間電容是共模信號耦合的重要通路；一般采用增加絕緣厚度，增加法拉第屏蔽層等方法來減少繞組間電容

雜散電容

是將開關噪音與共模干擾信號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改善

氣隙的作用與選取

開氣隙的目的與作用：

氣隙能使磁芯的等效磁路長度增加，減少剩余磁感應強調。氣隙雖不能對磁通的直流成分進行完全的修正，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，在磁動勢一定時，可以控制磁芯的磁通密度，從而平衡直流成分的影響。

氣隙的作用與選取

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氣隙為何儲存變壓器的大部分能量? 簡單講就是氣隙的磁阻比磁芯大得多，導致大部分的磁動勢都降落在氣隙上，氣隙跟磁通密度成反比。

注意：氣隙處的填充材料必須為逆磁性的材料，否則可能會造成氣隙短路現象，達不到開氣隙的本來目的；而且需要保持結構上的平衡，以使邊沿磁通噪聲最小化。

氣隙的作用與選取

氣隙處的散磁

由于邊緣磁通的存在，部分散磁會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。

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入磁芯，這就引起了磁芯在氣隙處的發熱問題

氣隙的作用與選取

開氣隙的方法：

磨氣隙：加工簡單，量產一致性好；中柱處由于邊緣磁通影響易發熱

墊氣隙：工藝復雜，不易控制一致性，易散磁；磁通分布均勻

變壓器的繞制技術

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的耦合面積，降低漏感，從而可以降低MOSFET關斷時的漏感尖峰電壓，降低MOSFET的電壓應力，在低壓輸出時可以提升效率。但在增加耦合面積的同時，使繞組間的分布電容加大，而繞組間電容是共模干擾信號主要的傳遞路徑，故三明治繞法會使EMI性能變差。采用初級包次級還是次級包初級的繞法，主要是從EMI(du/dt)與散熱(大電流流過繞組)兩個方面來考慮的。

變壓器的繞制技術

疏繞跟密繞:

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定性。但繞制工藝不好控制。

密繞

繞組緊密的繞制在變壓器的中間或兩邊；繞制工藝簡單，有利于后續繞組的平整度控制。但匝間電容與漏感稍大，在輸出電壓較低，電流小的場合對輸出電壓有一定影響。

變壓器的繞制技術

單層圈數的計算：

在計算單層圈數時，是通過骨架寬度除以漆包線的外徑，得到的值需要將小數點以后的數值舍去，并需要減去一圈作為進出線的余量。例：EFD30的幅寬是20mm，假如初級線徑是0.5mm(外徑則為0.55mm)，那么可以繞制最多的圈數是 20mm/0.55mm-1=35.36 取整之后為35T

注意：

在進線與出線的邊沿，特別是多股線同時繞制時，由于漆包線的折彎，造成占用的空間比正常繞組一圈時大

變壓器的繞制技術

盡量繞滿整數層

在計算好變壓器匝數與線徑直之后，接下來需要根據骨架寬度與深度驗算是否能容納下所有的繞組，此時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。當發現繞組不是整數層時，就需要調整匝數或線徑以滿足單個繞組為整數層的要求，因為小數層繞組(特別處在最里層時)容易造成后續的繞組不平整，從而影響繞線的分布參數與絕緣強度。

變壓器的繞制技術

繞組的絕緣

當繞完一個繞組之后，繞組需要將線折回到進線端的骨架定位腳時，需要先包1-2層膠帶進行絕緣，然后才將線折過來。且線盡量以90度左右的角度折彎，以盡量滿足對匝數精度的要求。繞線為了滿足安規對絕緣的要求，一般加擋墻或使用三重絕緣線，且各繞組之間加高強度的絕緣膠帶。

安規與EMI的考慮

關于安規標準

關于安規的一些要求

如果次級繞組不能跟鐵芯保持安規的距離要求時，那么鐵芯就被當成次級元件，必須跟初級保持足夠的安規距

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 醫療儀器類專用的Adapter: IEC/EN60601 量測儀器類專用的Adapter: IEC/EN61010

注意：

IEC/EN60335-2-29的初、級側繞組跟鐵芯的爬電距離是4.0mm，初次級元件之間的距離是8.0mm

BOBBIN厚度的要求：

IEC/EN61558-2-6與IEC/EN603352-29規定要大于1.0mm，其余的為 0.4mm

安規與EMI的考慮

變壓器是怎樣影響EMI的？

變壓器的分布電容，是引起初級到次級的共模與差模干擾的根本原因

安規與EMI的考慮

變壓器的EMI處理

從原理上來說，最有利于EMI的繞法是減少初次級之間的耦合電容，也就是說要加大初次級之間的距離，但這又會增大漏感，反而會增大電路損耗與EMI強度，所以需要綜合考慮。一般常見的方法是在初次級之間增加一個Y電容，將返回地線的共模電流直接短路到初級地線，減少通過地線返回的電流。還有一種方法是在初次級繞組之間加入法拉第屏蔽層（靜電屏蔽），將初次級之間的共模信號直接短路到初級地，有加銅箔(0.9T或1.1T) 與加繞組(繞組的感應電壓與被屏蔽繞組電壓相反)兩種方法。對于輻射一般是在變壓器最外層加入一個短路的屏蔽銅箔，將輻射的電磁能量以渦流的形式消耗掉，且渦流的磁場方向跟原變壓器的干擾磁場相互抵消。

變壓器的驗證與優化

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經常碰到的棘手問題：

接線（多股線，銅箔,飛線）進線與出線交叉，影響EMI 破皮(線徑，絕緣強度) 多線并饒（絞合，繞線平整度）骨架窗口的有效利用率（安規擋墻，接線端口）繞組的趨膚效應與臨近效應變壓器的損耗溫升考慮變壓器設計的折中（體積，效率，溫升，成本，工藝）

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待續 ……

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