解析變壓器繞制工藝

標(biāo)簽：變壓器

變壓器 bian ya qi利用電磁感應(yīng)的原理來改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級線圈、次級線圈和鐵心(磁芯)。在電器設(shè)備和無線電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗，安全隔離等。變壓器的最基本型式，包括兩組繞有導(dǎo)線之線圈，并且彼此以電感方式稱合一起。當(dāng)一交流電流(具有某一已知頻率)流于其中之一組線圈時，于另一組線圈中將感應(yīng)出具有相同頻率之交流電壓，而感應(yīng)的電壓大小取決于兩線圈耦合及磁交鏈之程度。一般指連接交流電源的線圈稱之為「一次線圈」(Primary coil);而跨于此線圈的電壓稱之為「一次電壓」。在二次線圈的感應(yīng)電壓可能大于或小于一次電壓，是由一次線圈與二次線圈間的「匝數(shù)比」所決定的。因此，變壓器區(qū)分為升壓與降壓變壓器兩種。

要想把變壓器設(shè)計(jì)好，首先就需要選擇好變壓器，變壓器的選擇受到很多的因素制約，首先，需要計(jì)算好變壓器的Ap值，得到Ap值之后，我們就要根據(jù)電源的結(jié)構(gòu)尺寸來初步選擇變壓器，包括變壓器的高度，寬度以及長度。當(dāng)電源的整體高度有限制時，就需要考慮扁平型的變壓器，臥式變壓器是首選。常見的有EE系列，EC系列，ER系列的臥式變壓器，EF系列與EFD系列變壓器;如果是超薄的適配器與LED日光燈內(nèi)置電源，可以考慮平面變壓器。而如果PCB的空間有限，應(yīng)該選擇PQ，RM，或者罐形磁芯，因?yàn)檫@些磁芯的截面積大，占用空間小，可以輸出更大的功率。

其次，在選擇變壓器的時候我們要根據(jù)電路的參數(shù)與側(cè)重點(diǎn)不同，而選擇不同的變壓器。

比如，在反激電源中，我們希望漏感越小越好，因?yàn)槁└写笮绊懝β势骷碾妷号c電流應(yīng)力，同時對EMC也有不可忽視的影響，那么我們就找對漏感控制有利的變壓器，再加上合理的繞法，可以將漏感控制在3%以下。

再次，在選擇變壓器的時候，要考慮到成本與通用性。成本不僅僅是每個企業(yè)老板關(guān)心的問題，同樣是我們廣大研發(fā)工程師最糾結(jié)的問題，除非是少數(shù)軍品級別或高檔不計(jì)成本的電源，我們在設(shè)計(jì)的時候要在性能參數(shù)與成本之間找到一個平衡點(diǎn)，不要刻意去追求某個參數(shù)而忽略帶來的成本影響，有時哪怕每個變壓器增加幾分錢的成本，如果批量起來，都是不可忽略的一筆開支。

除非由于商業(yè)因素的考慮，希望自己的產(chǎn)品不被其它的廠商所抄襲，一般不考慮私?；蚱T的變壓器磁芯與骨架，因?yàn)榱慨a(chǎn)的時候，供貨的渠道與周期都會受到很大的制約，而通用的磁芯，無論在價(jià)格上還是在供貨渠道與周期都有很大的可選擇性。看以下圖片：

選擇變壓器的時候，還要考慮到為了符合安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，EMC性能。首先，要考慮變壓器骨架的繞線寬度，變壓器為了符合安規(guī)中的爬電就離要求，一般都要在繞組邊上加3mm的擋墻，那么這就縮小了變壓器骨架的可用繞線寬度;而如果不加擋墻的話，就需要使用三重絕緣線，而三重絕緣線的外徑一般比內(nèi)部的銅線直徑大0.2mm，那么，同樣的窗口面積，繞線的匝數(shù)相當(dāng)于減少了。

其次，要考慮變壓器骨架的槽深，有時為了EMC，需要在變壓器內(nèi)部加入屏蔽層，有些用細(xì)線繞，有的用銅箔繞，這些繞組無疑會增加繞組的層數(shù)，也就是說可用于繞制變壓器其他繞組的槽深就減少了。

選擇變壓器要考慮到繞組裝配工藝的影響

大部分的變壓器均有固定的鐵芯，其上繞有一次與二次的線圈?；阼F材的高導(dǎo)磁性，大部分磁通量局限在鐵芯里，因此，兩組線圈藉此可以獲得相當(dāng)高程度之磁耦合。在一些變壓器中，線圈與鐵芯二者間緊密地結(jié)合，其一次與二次電壓的比值幾乎與二者之線圈匝數(shù)比相同。因此，變壓器之匝數(shù)比，一般可作為變壓器升壓或降壓的參考指標(biāo)。由于此項(xiàng)升壓與降壓的功能，使得變壓器已成為現(xiàn)代化電力系統(tǒng)之一重要附屬物，提升輸電電壓使得長途輸送電力更為經(jīng)濟(jì)，至于降壓變壓器，它使得電力運(yùn)用方面更加多元化，可以這樣說，沒有變壓器，現(xiàn)代工業(yè)實(shí)無法達(dá)到目前發(fā)展的現(xiàn)況。

很多的工程師在設(shè)計(jì)變壓器的時候，沒有考慮到裝配工藝，往往會出現(xiàn)這樣的情況：變壓器計(jì)算好之后，把參數(shù)發(fā)給變壓器廠做樣;然后，變壓器廠工程師打電話說繞不下，磁芯太緊，不好裝配，不利于量產(chǎn);最后不得不修改變壓器參數(shù);這樣無疑會延緩項(xiàng)目的進(jìn)度。所以在設(shè)計(jì)之初，我們就要考慮到變壓器磁芯窗口的誤差，以及繞線工藝、絕緣TAPE的厚度等因素。

變壓器的繞制方法與注意事項(xiàng)

普通分層繞法：

一般的單輸出電源，變壓器分為3個繞組，初級繞組Np,次級繞組Ns,輔助電源繞組Nb;當(dāng)實(shí)用普通分層繞法時，繞制的順序是：Np--Ns--Nb，當(dāng)然也有的是采用Nb--Ns--Np的繞法，但不常用。

此種繞法工藝簡單，易于控制磁芯的各種參數(shù)，一致性較好，繞線成本低，適用于大批量的生產(chǎn)，但漏感稍大，故適用于對漏感不敏感的小功率場合，一般功率小于10W的電源中普遍實(shí)用這種繞法

三明治繞法

三明治繞法久負(fù)盛名，幾乎每個做電源的人都知道這種繞法，但真正對三明治繞法做過深入研究的人，應(yīng)該不多。相信很多人都吃過三明治，就是兩層面包中間夾一層奶油。顧名思義，三明治繞法就是兩層夾一層的繞法。由于被夾在中間的繞組不同，三明治又分為兩種繞法：初級夾次級，次級夾初級。

如上圖，順序?yàn)镹p/2,Ns,Np/2,Nb，此種繞法有量大優(yōu)點(diǎn)，由于增加了初次級的有效耦合面積，可以極大的減少變壓器的漏感，而減少漏感帶來的好處是顯而易見的：漏感引起的電壓尖峰會降低，這就使MOSFET的電壓應(yīng)力降低，同時，由MOSFET與散熱片引起的共模干擾電流也可以降低，從而改善EMI。

第二種，次級夾初級的繞法(也叫次級平均繞法)

如上圖，順序?yàn)镹s/2,Np,Ns/2,Nb。當(dāng)輸出是低壓大電流時，一般采用此種繞法，其優(yōu)點(diǎn)有二：

1、可以有效降低銅損引起的溫升：由于輸出是低壓大電流，故銅損對導(dǎo)線的長度較為敏感，繞在內(nèi)側(cè)的Ns/2可以有效較少繞線長度，從而降低此Ns/2繞組的銅損及發(fā)熱。

2、可以減少初級耦合至變壓器磁芯高頻干擾。由于初級遠(yuǎn)離磁芯，次級電壓低，故引起的高頻干擾小。

我們大家來進(jìn)一步深入討論下這個三明治繞發(fā)對EMI的影響。首先，我們來看初級夾次級的繞法，我們知道，變壓器的初級由于電壓較高，所以繞組較多，一般要超過2層，有時甚至達(dá)到4-5層，這就給變壓器帶來一個分布參數(shù)---層間電容。

上圖即為反激電源MOSFET的Vds波形

從這個角度來說，三明治繞法是可以在一定程度上改善EMI。從另外一個角度來說，三明治繞法確實(shí)是增加了初次級的耦合面積，減少了漏感，同時又使初次級的耦合電容增加了;當(dāng)開關(guān)管反復(fù)開關(guān)時，電容也會反復(fù)充放電，也就是說會引起振蕩，此振蕩正比于開關(guān)頻率，會對EMI產(chǎn)生不利的影響。

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