集成电路高频变压器的设计与制作性能参数
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发布时间：2024-08-03 07:42:42
。在传统的高频变压器设计中，由于磁芯材料的限制，其工作频率较低，一般在20kHz左右。随技术的持续不断的发展，电源系统的小型化、高频化和大功率化已成为一个永恒的研究方向和发展的新趋势。因此，研究使用频率更高的电源变压器是降低电源系统体积、提高电源输出功率比的关键因素。
随着应用技术领域的继续扩展，开关电源的应用愈来愈广泛，但制作开关电源的主要技术和耗费主要精力就是制作开关变压器的部件。
(2)变压器的工作频率比较高，通常都在几十赫兹，甚至高达几十万赫兹。在确定铁芯材料及损耗时一定要考虑能满足高频工作的需要及铁芯中有高次谐波的影响。
(3)绕组线路很复杂，多半都有中心抽头。这不仅增大了初级绕组的尺寸，增大了变压器的体积和重量，而且使绕组在铁芯窗口中的分布关系发生变化。
本文介绍了一款如图1所示的DC—DC变换器，输入电压为直流24V，输出电压分别为5V及12V的多路直流输出。要求各路输出电流都在lA以上，核心器件是美国Unitrode公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片UC3842，最高工作频率可达200kHz。根据锌锰铁氧体合金的优异电磁性能，通过具体示例介绍工作频率为100kHz的高频开关电源变压器的设计及注意事项。
从变压器的性能指标要求可知，传统的薄带硅钢已很难满足变压器在频率、使用环境方面的设计的基本要求。磁芯的材料只有从坡莫合金、铁氧体材料、钴基非晶态合金和超微晶合金几种材料中来考虑。坡莫合金、钴基非晶态价格高，约为铁氧体材料的数倍，而饱和磁感应强度Bs也不是很高，且加工工艺复杂。考虑到我们所要求的电源输出功率并不高，大约为30W，因此，综合几种材料的性能比较，我们仍旧是选择了饱和磁感应强度Bs较高，温度稳定性高，价格低，加工方便的性价比较低的锌锰铁氧体材料，并选以此材料作为框架的EI28来绕制本例中的脉冲变压器。
根据有关的资料，EC35输出功率为50W，饱和磁感应强度大约在2000Gs左右。买来的磁芯，由于厂家提供的磁感应强度月，值并不准确，可用图2所提供的方式粗略测试一下。将调压器接至原线圈，用示波器观察副线圈输出电压波形。将原线圈的输入电压由小到大慢慢升高，直到示波器显示的波形发生奇变。此时，磁芯已饱和，根据公式：
U=4.44fN1Φm可推知在工频时的Φm值。要求不高时，可根据测算出的Φm，粗略估算出原线圈的匝数：
本例中的变换器采用单端反激式工作方式，单端反激变换器在小功率开关电源设计中应用十分普遍，且多路输出较方便。单端反激电源的工作模式有两种：电流连续模式和电流断续模式。前者适用于较小功率，副边二极管存在没有反向恢复的问题，但MOS管的峰值电流相对较大;后者MOS管的峰值电流比较小，但存在副边二极管的反向恢复问题，需要给二极管加吸收电路。这两种工作模式可根据实际的需求来选择，本文采用了后者。
设计变压器时大多需要仔细考虑下面问题：变换器频率f(H2);初级电压U1(V)，次级电压U2(V);次级电流i2(A);绕组线;温升τ(℃);绕组相对电压降u;环境和温度τHJ(℃);绝缘材料密度γz(g/cm3)
1)根据变压器的输出功率选取铁芯，所选取的铁芯的户，值应等于或大于给定值。
开关电源的效率η一般在60～90%之间，本例取η=0.65，则输入功率为
假定初级线圈的初始电流为零，那么，在开关管的导通期tON里，初级线圈中的电流心便从零开始线
根据输出功率P的大小，选用适当的磁芯，其形状用环形、EI形或罐形均可，本例采用EI28，该类型的铁芯在f=50kHz时，功率可达到60W，在f=100kHz时，输出功率可达到90W。
反馈绕组匝数的确定，要求既能保证开关元件的饱和导通又不至于造成过大损耗。根据UC3842的要求，反馈绕组的输出电压应在13V左右。因此，
(3)夹层式绕法把次级绕组绕在初级绕组的中间，初级分两次绕。这种绕法只在初级绕组中多一个接头，工艺简单，便于批量生产。
本例中，为减小分布参数的影响，初级采用双线并绕连接的结构，次级采用分段绕制，串联相接的方式，即所谓堆叠绕法。降低绕组间的电压差，提高变压器的可*性。在变压器的绝缘方面，线圈绝缘应尽量选用抗电强度高、介质损耗低的复合纤维绝缘纸，提高初、次级之间的绝缘强度和抗电晕能力，本例中，因为不涉及高压，绝缘问题不必特殊考虑。
绕制脉冲变压器是制作开关电源的重要工作，也是设计与制作的步骤中消耗大量时间和主要精力的工作。变压器做得好，整个设计与制作工作就完成了70%以上。做得不好，可能就会出现停振、啸叫或输出电压不稳、负载能力不高等现象。在变压器的温升
(1)即使输入电压最大，主开关器件导通时间最长，也不会使变压器的磁芯饱和;
(3)高频开关变压器会因集肤效应导致电线的电阻值增大，因而要减小电流密度。通常，工作时的最大磁通密度取决于次级线)一般来说，采用铁氧体磁芯E128时，要把Bm控制在3kGs以下。
