開關(guān)電源變壓器的設(shè)計與開關(guān)電源變壓器嘯叫原因

　　開關(guān)電源變壓器是加入了開關(guān)管的電源變壓器，在電路中除了普通變壓器的電壓變換功能，還兼具絕緣隔離與功率傳送功能一般用在開關(guān)電源等涉及高頻電路的場合。開關(guān)電源變壓器分單激式開關(guān)電源變壓器和雙激式開關(guān)電源變壓器，兩種開關(guān)電源變壓器的工作原理和結(jié)構(gòu)并不是一樣的。

　　骨架材料：開關(guān)變壓器骨架與一般的變壓器骨架不同，除了作為線圈的絕緣與支撐材料外，還承擔(dān)了整個變壓器的安裝固定和定位的作用，因此制作骨架的材料除了滿足絕緣要求外，還應(yīng)有相當(dāng)?shù)目估瓘姸?，同時為了承受引腳的耐焊接熱，要求骨架材料的熱變形溫度高于200℃，材料必須達(dá)到阻燃，且還應(yīng)加工性好，易于加工成各種形狀。

　　開關(guān)電源變壓器的設(shè)計：

　　開關(guān)電源變壓器是開關(guān)電源中的核心部件，作用有三：磁能轉(zhuǎn)換、電壓變換和絕緣隔離。由于開關(guān)變壓器的工作頻率很高，因此它的體積和重量比工頻變壓器大為縮小，同時變壓器的分布參數(shù)亦不能忽略。設(shè)計時需要考慮磁芯材料選擇，磁芯與線圈的結(jié)構(gòu)，繞制工藝等。

　　開關(guān)電源變壓器工作于高頻狀態(tài)，分布參數(shù)有漏感、分布電容和電流趨膚效應(yīng)。一般根據(jù)開關(guān)電源電路設(shè)計的要求提出漏感和分布電容限定值，在變壓器的線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計中實現(xiàn)，而趨膚效應(yīng)則作為選擇導(dǎo)線規(guī)格的條件之一。

　　開關(guān)電源變壓器的工作狀態(tài)與開關(guān)型功率變換器的電路形式有關(guān)，一般根據(jù)功率大小，使用要求，采用不同形式的功率變換器。不同的電路形式，開關(guān)電源變壓器工作狀態(tài)也不同，對開關(guān)電源變壓器也提出了不同的設(shè)計要求。

　　變換器形式有：雙極性（推挽式、全橋式、半橋式），單端正激式，單端反激式等。

　　開關(guān)電源變壓器中使用的是軟磁材料。比如：鐵氧體材料。鐵氧體材料很容易加工成各種形狀，可根據(jù)開關(guān)變壓器的電路類型、使用要求、功率等級、經(jīng)濟指標(biāo)等選用合適的磁芯形狀。磁芯型號主要有：EE、EI、EC、ETD、G、GK、H、HQ、UY、UF、PM、RM。每種型號又有很多尺寸規(guī)格可以選擇。

　　開關(guān)電源變壓器參數(shù)計算：漏感計算、分布電容計算、穿透深度（導(dǎo)線選擇）、交流電阻計算、電流有效值。

　　由于一次側(cè)和二次側(cè)繞組間寄生電容的存在，變壓器“開關(guān)”時，在分界處存在dV/dt，將“靜默層”布置在絕緣膠帶的兩側(cè)，即一次側(cè)和Vin相連的一端，二次側(cè)和地相連的一端，分別布置在絕緣膠帶兩側(cè)，可以減小分界處寄生電容的dV/dt。由于場效應(yīng)管的漏極電壓是波動的，將其繞為骨架的第一層，這樣外層可屏蔽內(nèi)層發(fā)射的電磁場。圖1和圖2給出了兩種低噪聲的繞線技術(shù)，可應(yīng)用在典型的反激變換器變壓器中。

　　方法一：如圖1所示，二次側(cè)繞組與二極管連接的末端必須緊鄰絕緣膠帶，因此絕緣膠帶的兩端將有一定大小的dV/dt，但該dV/dt比一次側(cè)繞組的漏極相連端與絕緣膠帶相鄰時小得多。此變壓器的優(yōu)點是二次側(cè)繞組的“靜默端”位于最外層，它本身就能很好的屏蔽變壓器的輻射。

　　方法二：如圖2所示，使兩個靜默端與絕緣膠帶相鄰，此變壓器的優(yōu)點是穿越邊界的共模噪聲減小，但變壓器的外部噪聲比較大，需要在外部繞上銅皮屏蔽（即法拉第屏蔽）。

　　在變壓器骨架窗口裕量充足的情況下，通常還需要在變壓器內(nèi)部一次側(cè)和二次側(cè)之間使用銅皮“隔離”，從而屏蔽繞組產(chǎn)生的噪聲。如果窗口裕量不是很充分，可以考慮將一次側(cè)的IC供電繞組作為法拉第屏蔽。如圖3所示，繞組的兩端均交流耦合至一次側(cè)地，使一次側(cè)主繞組發(fā)射的容性噪聲減小，因此傳導(dǎo)至二次側(cè)的共模噪聲大大減小。使用法拉第屏蔽的缺點是漏感大大增加，從而降低了效率。所以我們在反激變換器變壓器內(nèi)部一般不使用任何常規(guī)的屏蔽，但經(jīng)常使用法拉第屏蔽。

　　在為客戶設(shè)計定制產(chǎn)品時，客戶要求在不加外圍輔助電路的情況下，要求傳導(dǎo)過CLASS B，根據(jù)方法一，在結(jié)合使用傳統(tǒng)的“三明治繞法”不僅解決了傳導(dǎo)的問題，還解決了只用方法一帶來的變壓器漏感大的問題，從而提高了電源的穩(wěn)定性，也達(dá)到了客戶的要求。該定制產(chǎn)品繞線順序如表1所示，傳導(dǎo)結(jié)果如圖4所示，峰值最少有20dB的裕量，平均值也有10dB的裕量。

　　對于帶變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源來說，變壓器的電磁兼容性（EMC）設(shè)計對整個開關(guān)電源的EMC水平影響較大。通常情況下，加裝電源線濾波器是抑制傳導(dǎo)EMI的必要措施。但是，僅僅依靠電源輸入端的濾波器來抑制干擾往往會導(dǎo)致濾波器中元件的電感量增加和電容量增大。而電感量的增加使體積增加、電容量的增大受到漏電流安全標(biāo)準(zhǔn)的限制。本文提出了新的變壓器設(shè)計方法。不僅能減少電源線濾波器的體積，對傳導(dǎo)電磁干擾（EMI）的抑制能力更強，且能降低變壓器的制作成本和工藝復(fù)雜程度。

　　開關(guān)電源變壓器嘯叫原因：

　　開關(guān)電源變壓器發(fā)生嘯叫的原因主要有四個方面：變壓器的工藝問題、變壓器的環(huán)路問題、變壓器的鐵心問題以及開關(guān)電源的負(fù)載問題，下面一一分析。

　　1、變壓器的工藝問題

　?、俳岷娓刹坏轿?，導(dǎo)致磁芯不牢固引起機械振動而發(fā)出響聲；

　　②氣隙的長度不適合，導(dǎo)致變壓器的工作狀態(tài)不穩(wěn)定而發(fā)出響聲；

　?、劬€包沒有繞緊也可能導(dǎo)致響聲；

　　④磁芯組合有氣隙存在，高頻時引起空氣振動而發(fā)出響聲（變壓器如果經(jīng)過真空全浸，一般不會發(fā)聲）。

　　2、變壓器的環(huán)路問題

　　變壓器的環(huán)路問題即指變壓器的環(huán)路發(fā)生振蕩從而引起變壓器發(fā)生嘯叫。

　?、匐娐钒宀季€不當(dāng)，從而造成干擾引發(fā)振蕩，導(dǎo)致響聲；

　?、诜答伝芈穮?shù)設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致環(huán)路不穩(wěn)定以致產(chǎn)生振蕩而發(fā)出響聲；

　　③環(huán)路中元器件的質(zhì)量問題，如輸入濾波電容容量不足，輸出整流快恢復(fù)二極管質(zhì)量不好，功率MOS管質(zhì)量不好，RCD反沖吸收回路的高壓電容或二極管質(zhì)量不好等等，這些問題都有可能導(dǎo)致震蕩而引起響聲。

　　3、變壓器的鐵心問題

　　變壓器鐵心發(fā)生飽和時，線圈中電流增大，變壓器發(fā)熱并產(chǎn)生自激震蕩，線圈的振蕩引起周圍空氣的振動從而發(fā)出響聲。

　　4、開關(guān)電源的負(fù)載問題

　?、匍_關(guān)電源在空載或輕載的情況下，在某些工作點處會發(fā)生振蕩現(xiàn)象，表現(xiàn)為變壓器的嘯叫和輸出的不穩(wěn)定。

　　發(fā)生這種現(xiàn)象是由于空載/輕載時，開關(guān)瞬時開通時間過大從而造成輸出能量太大，進(jìn)而電壓過沖也很大，需要較長的時間去恢復(fù)到正常電壓，因此開關(guān)需停止工作一段時間，這樣開關(guān)就工作于間歇性工作模式，使變壓器發(fā)生較低頻率（有規(guī)律的間歇性全截止周期或占空比劇烈變化的頻率）的振動。

　?、谧儔浩鞴ぷ髟趪?yán)重的超載狀態(tài)，時刻都有燒毀的可能——這就是許多電源燒毀前“慘叫”的由來。