高頻變壓器飽和電流測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)

楊道忠，羅中良，陳治明，林鋒洲

（1.惠州天陽(yáng)精密科技有限公司，惠州 516000； 2.惠州學(xué)院，惠州 516007）

引言

開(kāi)關(guān)電源是近年來(lái)應(yīng)用非常廣泛的一種電源，其質(zhì)量的好壞直接影響到電子設(shè)備的可靠性。磁性元件高頻變壓器是開(kāi)關(guān)電源中的重要部件，在電子線路中，經(jīng)常因?yàn)楦哳l變壓器設(shè)計(jì)的不合理導(dǎo)致高頻變壓器發(fā)生磁飽和從而損壞開(kāi)關(guān)電源設(shè)備，所以測(cè)試高頻變壓器的飽和電流值是非常重要的。在不具備專業(yè)設(shè)備的條件下，測(cè)試高頻變壓器磁飽和電流是比較困難的。

目前，在高頻變壓器磁飽和電流的檢測(cè)方面，還沒(méi)有形成普遍統(tǒng)一的通用檢測(cè)方法。現(xiàn)在技術(shù)上對(duì)磁飽和電流的檢測(cè)主要是通過(guò)電阻、電解電容和電感構(gòu)成充放電回路。外部直流電源先給電解電容充電，電壓達(dá)到穩(wěn)定后放電接通變壓器初級(jí)回路，用數(shù)字示波器觀察檢測(cè)串聯(lián)在初級(jí)繞組的電阻電壓波形，計(jì)算出飽和電流。在對(duì)變壓器可靠性評(píng)估過(guò)程中，該測(cè)試方法存在以下不足：無(wú)法直接測(cè)試變壓器不同溫度下的飽和電流；電解電容C的容量過(guò)大導(dǎo)致電源充電時(shí)間太長(zhǎng)，延長(zhǎng)測(cè)試周期；無(wú)法測(cè)試小感量元件，測(cè)試感量一般大于50uH且測(cè)試結(jié)果存在較大的誤差。

高頻變壓器在開(kāi)關(guān)電源各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定性、高效性設(shè)計(jì)占重要位置。本論文設(shè)計(jì)出一種高效、可靠的高頻變壓器飽和電流測(cè)試裝置，該飽和電流測(cè)試方法與其他測(cè)試方法相比有測(cè)試簡(jiǎn)單實(shí)用，并能夠準(zhǔn)確地測(cè)試出飽和電流值、縮短了電路設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)周期 。

1 測(cè)試裝置基本原理與設(shè)計(jì)

1.1 高頻變壓器磁飽和原理

“磁飽和”是飽和磁化強(qiáng)度的簡(jiǎn)稱，是鐵磁性物質(zhì)的一個(gè)特性。在外磁場(chǎng)的作用下鐵磁性物質(zhì)將被磁化，開(kāi)始時(shí)，隨著外磁場(chǎng)強(qiáng)度的逐漸增加，物質(zhì)的磁化強(qiáng)度也不斷增大。當(dāng)外磁場(chǎng)的強(qiáng)度（電感線圈電流）達(dá)到一定程度后，物質(zhì)的磁化強(qiáng)度便不再增加而保持在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值上。這時(shí)，就稱高頻變壓器達(dá)到了磁飽和狀態(tài)，或稱飽和磁化狀態(tài)。這個(gè)穩(wěn)定的磁化強(qiáng)度值就叫做高頻變壓器的飽和磁化強(qiáng)度，這個(gè)臨界點(diǎn)電流稱之為高頻變壓器的飽和電流。

1.2 測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)與測(cè)試步驟

1.2.1 飽和電流檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)

變壓器飽和電流的測(cè)試主要是檢測(cè)初級(jí)電感電流曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的電流值。如圖1所示，單片機(jī)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路檢測(cè)串聯(lián)在初級(jí)繞組上的采樣電阻兩端的電壓，通過(guò)程序算法將出現(xiàn)拐點(diǎn)處的電壓值轉(zhuǎn)換為電流值顯示在飽和電流顯示窗口，該顯示值為高頻變壓器飽和電流值；溫度采樣電路通過(guò)感溫探頭檢測(cè)高頻變壓器實(shí)際溫度信息到單片機(jī)，單片機(jī)將實(shí)際溫度數(shù)據(jù)顯示在溫度顯示窗口。

高頻變壓器設(shè)計(jì)一般都是在室溫中進(jìn)行，而高頻變壓器工作的實(shí)際溫度通常遠(yuǎn)大于室溫溫度（一般在90℃左右）。只要長(zhǎng)時(shí)間將觸發(fā)點(diǎn)閉合，通過(guò)直流電源對(duì)初級(jí)繞組兩端加熱至所需測(cè)試溫度，即可測(cè)試出不同溫度下高頻變壓器的飽和電流。

1.2.2 高頻變壓器飽和電流測(cè)試步驟

圖1中，測(cè)試裝置主要包括直流電源和單片機(jī)電路兩大模塊。首先設(shè)置直流電源輸出電壓值大小和最大輸出電流值大小，電壓值關(guān)系到電流曲線從零至出現(xiàn)拐點(diǎn)處的時(shí)間，考慮到A/D轉(zhuǎn)換接口電路的轉(zhuǎn)換速度，該電壓不可取值過(guò)大，一般取值為12V。輸出電流大小主要是關(guān)系到給初級(jí)繞組加熱至所需溫度的時(shí)間，由于大電流可能損壞繞線，所以該電流不可取值過(guò)大，一般取值為1A。

單片機(jī)電路外部接口主要有采樣電阻接口和溫度采樣電路接口。采樣電阻接口串聯(lián)在初級(jí)繞組上，溫度采樣電路接口直接粘貼于高頻變壓器磁芯與線包縫隙間。兩個(gè)不同接口對(duì)應(yīng)著不同的程序流程，如圖2和圖3所示。

圖2是單片機(jī)電路的溫度測(cè)試程序流程圖。當(dāng)觸發(fā)點(diǎn)閉合時(shí)，相當(dāng)于直流給初級(jí)繞組加熱，同時(shí)MCU電路對(duì)繞組進(jìn)行溫度采樣，但溫度顯示窗口為所需預(yù)設(shè)溫度時(shí)斷開(kāi)連接觸發(fā)點(diǎn)，進(jìn)入飽和電流測(cè)試階段。

圖3是單片機(jī)電路的飽和電流測(cè)試程序流程圖。當(dāng)觸發(fā)點(diǎn)不斷觸發(fā)時(shí)，相當(dāng)于檢測(cè)當(dāng)前溫度下高頻變壓器的飽和電流。采樣電阻檢測(cè)采樣信號(hào)后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字型號(hào)傳送給MCU電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。MCU電路記錄前十組數(shù)據(jù)并計(jì)算出該數(shù)據(jù)的斜率值存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，下一組數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)判斷是否在此斜率曲線上，如不在此斜率曲線上即判斷為此處是電流波形的拐點(diǎn)值，得到拐點(diǎn)值數(shù)據(jù)后MCU電路將此數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過(guò)顯示電路顯示出來(lái)。用戶只需讀取飽和電流顯示窗口和溫度顯示窗口的值，即可方便地得到不同溫度下高頻變壓器的飽和電流值。

圖1 飽和電流測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 繞組溫度測(cè)試程序流程圖

2 飽和電流曲線測(cè)試實(shí)例

圖3 飽和電流測(cè)試程序流程圖

圖4 室溫測(cè)試電流波形

圖5 50℃測(cè)試電流波形

圖6 90℃測(cè)試電流波形

圖7 110℃測(cè)試電流波形

由于變壓器飽和電流的測(cè)試主要是檢測(cè)初級(jí)電感電流曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的電流值。以下實(shí)例主要通過(guò)借助數(shù)字示波器的電流探頭，實(shí)際測(cè)量不同溫度下高頻變壓器初級(jí)繞組的電流波形來(lái)驗(yàn)證以上測(cè)試裝置單片機(jī)電路捕捉拐點(diǎn)電流的可行性。如圖4為室溫測(cè)試時(shí)的高頻變壓器電流波形，對(duì)應(yīng)的飽和電流為1.48A；圖5為50℃測(cè)試時(shí)的高頻變壓器電流波形，對(duì)應(yīng)的飽和電流為1.36A；圖6為90℃測(cè)試時(shí)的高頻變壓器電流波形，對(duì)應(yīng)的飽和電流為1.10A；圖7為110℃測(cè)試時(shí)的高頻變壓器電流波形，對(duì)應(yīng)的飽和電流為1.10A。從圖4-7可以看出不同溫度下高頻變壓器飽和電流值是不同的，在溫度升高的同時(shí)，飽和電流呈下降的趨勢(shì)，這為具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)飽和電流應(yīng)考慮其工作環(huán)境溫度，以避免采用常溫?cái)?shù)值進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)出現(xiàn)的缺陷。

3 結(jié)論

變壓器飽和電流的測(cè)試主要是檢測(cè)初級(jí)電感電流曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的電流值。本設(shè)計(jì)測(cè)試飽和電流裝置，主要是A/D轉(zhuǎn)換電路和溫度采樣電路檢測(cè)信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)上，單片機(jī)通過(guò)程序算法將飽和電流和實(shí)際溫度值顯示出來(lái)，能夠高效、可靠的測(cè)試出不同溫度下高頻變壓器飽和電流值。該裝置能夠在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的過(guò)程中方便工程師對(duì)高頻變壓器的評(píng)估，準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出合理的高頻變壓器參數(shù)，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高所開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的可靠性。

[1]羅恒廉,李智華.高頻磁性元件的繞組設(shè)計(jì)技術(shù)[J]. 電工電能新技術(shù), 2000,2:61-64 .

[2]羅中良,李曦雯. 基于MPS4021 的30W LED 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化, 2013,32(3):30-33．

[3]Santayana Maniktala. 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與優(yōu)化[M].王志強(qiáng)譯，北京：電子工業(yè)出版社, 2006.

[4]劉鳳君. 現(xiàn)代高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[5]王兆安,黃俊 .電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版, 2002.

[6]王戎偉,羅中良. 基于NCP1014 的4W LED 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J]．現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2013.3,58-61．

[7]Marty Brown .電源設(shè)計(jì)指南（第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[8]羅中良.面向LED 驅(qū)動(dòng)電源的EMI 濾波器設(shè)計(jì)與仿真[J]．現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2013.3,60-64．

[9]Abraham I.pressman .開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)（第三版）[M].北京：電子工業(yè)出版社, 2010 .

[10]邱關(guān)源,羅先覺(jué) .電路 第五版[M].北京：高等教育出版社, 2006.

[11]周建國(guó),羅中良. 基于MP4021GS-A 的60W LED 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J]．現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2013.6,55-58．