模塊電源中平面變壓器的設(shè)計與應(yīng)用

作者　趙鳳儉1 趙玉明2 張麗潔3 1.睿查森電子貿(mào)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(shè)備及元器件應(yīng)用的相關(guān)技術(shù);趙玉明，男，碩士，副研究員，研究方向：特殊施工技術(shù)應(yīng)用及監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)開發(fā);張麗潔，女，工程師，研究方向：新能源設(shè)備的電氣設(shè)計。

摘要：本文基于開關(guān)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(guān)電源中的平面變壓器的設(shè)計、加工、工藝和應(yīng)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(shè)計的參數(shù)計算過程，并進行了具體實例的參數(shù)計算。介紹了電路板繞組設(shè)計、平面變壓器裝配和電源整機工藝設(shè)計，給出了平面變壓器和電源整機實際設(shè)計與應(yīng)用案例，并對整機進行性能測試，驗證了設(shè)計的可行性及合理性。

引言

　　模塊型開關(guān)電源廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空航天、計算機硬件及電信等各個領(lǐng)域中，其核心部件之一為高頻變壓器。在實際的應(yīng)用中，開關(guān)電源小型化、輕量化始終都是技術(shù)發(fā)展趨勢，而高頻變壓器在開關(guān)電源小型化過程中起著關(guān)鍵作用^[1~2]。隨著磁性材料的改進和功率半導(dǎo)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(guān)電源的特性方面有著很大的優(yōu)勢，因此，近年來得到了廣泛的應(yīng)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(chǎn)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(jié)能及散熱要求苛刻的模塊型電源產(chǎn)品，具有廣闊的應(yīng)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(shè)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(chǎn)。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(shè)計和加工工藝方面相對正激拓撲較為復(fù)雜。

2 變壓器的參數(shù)計算

　　開關(guān)電源中變壓器的參數(shù)計算步驟如下：

　　1)根據(jù)開關(guān)電源性能參數(shù)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(guān)參數(shù);

　　4)確定變壓器匝比;

　　5)計算原邊匝數(shù);

　　6)根據(jù)匝比和原邊匝數(shù)，確定副邊匝數(shù);

　　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(guān)電源進行設(shè)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(chǎn)品的設(shè)計調(diào)試經(jīng)驗，取開關(guān)頻率fs=300kHz，對應(yīng)開關(guān)周期T=3.3μs，并設(shè)置最大占空比δmax=0.41;采用宜賓金川RM2.3KD磁材^[7]，取磁感應(yīng)強度變化量ΔB=1800GS。

　　經(jīng)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(shè)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(shù)比19：6完成此款模塊型開關(guān)電源的變壓器設(shè)計。

3 電路板繞組設(shè)計

　　基于EI22磁芯的外形尺寸和原副邊的匝數(shù)開展電路板繞組的設(shè)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(lián)擺放的設(shè)計。每塊8層電路板包含事先計算好的原副邊匝數(shù)，當采用兩塊電路板并聯(lián)時，等同為繞組并聯(lián)，用以增加導(dǎo)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(shè)計中全部過孔設(shè)計采用貫穿孔，不設(shè)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(shè)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(shù)為19，繞組引出端為C和D，C為繞組起始端，D為結(jié)尾端;副邊繞組NS1匝數(shù)為6，繞組引出端為G和H，G為繞組起始端，H為結(jié)尾端。

　　變壓器生產(chǎn)加工步驟如下：

　　1)將電路板在橋連部位折斷，變?yōu)槌商椎膬蓧K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(cè)，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(shù)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(chǎn)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(guān)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(dǎo)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(yīng)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(xiàn)。

6 設(shè)計與應(yīng)用案例

　　根據(jù)上述的設(shè)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(guān)電源中，實現(xiàn)單機150W功率、輸入直流電壓200~400V、輸出直流電壓24V的產(chǎn)品設(shè)計。該產(chǎn)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(xù)工作兩個小時后，整機中各個器件的溫升到達穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)品的熱成像如圖4所示，測試環(huán)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(xù)工作兩個小時后，整機中各個器件的溫升到達穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)品熱成像圖如圖5所示，測試環(huán)境溫度在22.9℃情況下，整機中變壓器溫度最高為83.6℃。

7 結(jié)論

　　本文詳細闡述了模塊型開關(guān)電源中的平面變壓器的設(shè)計、加工、應(yīng)用的全過程?；谄矫孀儔浩鞅旧淼募庸すに噺?fù)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(shè)計的參數(shù)計算，并給出具體實例參數(shù)計算過程。通過介紹平面變壓器的電路板繞組設(shè)計方法和具體設(shè)計過程，展示了多層電路繞阻的鋪設(shè)細節(jié)和拼版設(shè)計技巧。闡述了平面變壓器加工和電源整機工藝設(shè)計，給出了變壓器和電源整機的實際設(shè)計與應(yīng)用案例，并對整機進行性能測試，驗證了設(shè)計的可行性及合理性，為平面變壓器的大批量自動化生產(chǎn)提供技術(shù)和應(yīng)用參考。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)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。