高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉斌

摘要：現(xiàn)如今，我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)在快速的發(fā)展，社會(huì)在不斷的進(jìn)步，主要研究基于反激開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，及其開(kāi)關(guān)電源在音頻 放大器中的應(yīng)用。研究的目了解開(kāi)關(guān)電源工作原理，分析與熟悉電路結(jié)構(gòu)，應(yīng)用其高效率、穩(wěn)定性、可靠性、體積小、成本 低等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)符合公司和市場(chǎng)需求的產(chǎn)品，擬解決傳統(tǒng)工頻變壓器，效率低、穩(wěn)定差、體積重，成本高等問(wèn)題。為一 些初學(xué)者提供產(chǎn)品設(shè)計(jì)的幫助和參考，因此具有重大的意義。目前開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)完成設(shè)計(jì)，并成功應(yīng)用于功放產(chǎn)品中，為設(shè)計(jì) 功放提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)具有重要的作用。

關(guān)鍵詞：高頻；開(kāi)關(guān)電源；變壓器；損耗；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3178（2018）06-0206-01

引言

隨著電源系統(tǒng)的發(fā)展，電源的體積變得越來(lái)越小，頻率變得越

來(lái)越高，功率變得越來(lái)越大。但是，傳統(tǒng)的磁芯材料的局限性，限 制了高變壓器頻率的提高。在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，為了減小開(kāi)關(guān)電源 的體積，需要提高電源的開(kāi)關(guān)頻率。對(duì)于變壓器而言，也是一樣的。 因此，合理選擇變壓器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方案變得至關(guān)重要。文章針對(duì) 變壓器的常用設(shè)計(jì)方法，給出了變壓器頻率的選擇、結(jié)構(gòu)的選擇、 磁芯的材料選擇過(guò)程，并且給出了相應(yīng)的計(jì)算過(guò)程。

1 高頻開(kāi)關(guān)電源理論基礎(chǔ)

1.1開(kāi)關(guān)電源工作原理

開(kāi)關(guān)電源的基本原理方框圖如圖 1，通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)將輸入

較高的交流電壓（AC）如 220V，轉(zhuǎn)化成電子或電器設(shè)備工作所需要 的直流電壓（DC）如 5V，12V，24V。用提高工作頻率等手段提高電 源功率密度，進(jìn)而達(dá)到減少變壓器的體積和重量的目的。采用開(kāi)關(guān) 變化的優(yōu)勢(shì)大大提高電能的轉(zhuǎn)化效率。典型開(kāi)關(guān)電源效率為 70%— 90%，依賴對(duì)脈沖寬度的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，稱作脈寬調(diào)制 PWM。

1.2高頻開(kāi)關(guān)電源

高頻開(kāi)關(guān)電源（SwitchingModePowerSupply，SMPS）是一種高

頻電能轉(zhuǎn)換裝置，可以將一個(gè)位準(zhǔn)電壓通過(guò)不同的方式轉(zhuǎn)換為期望 的電壓或電流。其核心原理是通過(guò) MOSFET 或 IGBT 等電子元器件的 高頻狀態(tài)切換來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的調(diào)節(jié)。高頻開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)各不相同， 但從原理上看都是由主電路、控制電路、檢測(cè)電路和輔助電源 4 部 分構(gòu)成的。

1.3串聯(lián)諧振電路

高頻開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)方式有硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)兩種。其中前者多

采用 PWM 控制方式，由于頻繁的通斷會(huì)產(chǎn)生額外的開(kāi)關(guān)損耗，并且 損耗值與開(kāi)關(guān)頻率成正比，另外還會(huì)產(chǎn)生分布電感和寄生電容等附 加損耗，嚴(yán)重限制了開(kāi)關(guān)頻率的進(jìn)一步提高。軟開(kāi)關(guān)利用諧振原理 使電源在通斷切換過(guò)程中并不承受電壓，因此大大減小了不必要的 耗損。

2 高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)

2.1磁芯損耗分析

高頻變壓器所采用的磁芯材料必須具備低損耗、穩(wěn)定性好、溫

度特性優(yōu)良、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高等特性，業(yè)內(nèi)最常見(jiàn)的磁芯材料包 括軟磁鐵氧體、坡莫合金和非晶態(tài)合金 3 種，其中應(yīng)用最廣的當(dāng)數(shù) 錳鋅鐵氧體。該種材料具有較高的磁導(dǎo)率和居里溫度、溫度特性穩(wěn) 定且具有明顯的負(fù)溫度特性，可以較好地解決高頻變壓器的容量、 損耗、體積、重量、散熱等一系列問(wèn)題。

2.2繞組損耗分析

高頻變壓器的繞組損耗主要取決于繞組的直流電阻、電流有效

值和交流電阻系數(shù) 3 個(gè)參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，繞組的交流電阻比直流電 阻要高，這是因?yàn)槔@組中存在一定的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。因此，交流電阻系數(shù)又成為繞組損耗分析的重中之重。 2.3線圈的繞制與絕緣

漏感是影響變壓器性能的重要參數(shù)。線圈的繞制方法會(huì)影響變 壓器的漏感。在繞制變壓器時(shí)，初次級(jí)繞組需要緊密耦合在一起， 從而使得變壓器的漏感減小。漏感過(guò)大，會(huì)在變壓器產(chǎn)生尖峰電壓， 使開(kāi)關(guān)管被擊穿，從而不能正常工作。常用的變壓器繞法有：（1） 將初級(jí)、次級(jí)繞組合起來(lái)的雙線繞法。這種方式可以使初級(jí)、次級(jí) 繞組之間的距離達(dá)到最小，因此漏感最小，但繞制比較麻煩；（2） 將奇數(shù)層、偶數(shù)層分層繞制。這種方式繞制較（1）容易，但是增大 耦合電容；（3）將次級(jí)繞組夾在初級(jí)繞組之間，稱為夾層式繞制。 這種繞制方法工藝簡(jiǎn)單，容易繞制。在低壓大電流情況下，此方法 可以減少導(dǎo)線的銅損。此外，初級(jí)線圈離鐵芯遠(yuǎn)，高頻干擾較小。

3 開(kāi)關(guān)電源在應(yīng)用中故障檢修與方法

下面在和大家談一下，開(kāi)關(guān)電源電路常表現(xiàn)的 2 種故障表現(xiàn)；

（1）變壓器次級(jí)負(fù)載供電電壓為 0V，變壓器上電后無(wú)反應(yīng)，測(cè)試 控制端子 24V 和 10V 電壓為 0V，檢查開(kāi)關(guān)電源輸入的 530V 電壓正 常，可判斷為電源故障，檢修步驟如下：先用電阻測(cè)量法測(cè)量開(kāi)關(guān)管 Q1有沒(méi)有擊穿、短路故障，電流取樣R11有無(wú)開(kāi)路，電路易損元 件為開(kāi)關(guān)管，當(dāng)它損壞后 R11 因受到?jīng)_擊而阻值變大或者斷路。Q1 的G 極串聯(lián)電阻，震蕩芯片IC1 往往受沖擊而損壞，必須同時(shí)更換；檢查負(fù)載回路有無(wú)短路現(xiàn)象。然后更換損壞元件，或未檢測(cè)到短路元件，可進(jìn)行上電檢查，進(jìn)一步判斷故障是出在震蕩回路還穩(wěn)壓回路。檢測(cè)的方法；先檢測(cè)啟動(dòng)電阻 R12 有無(wú)斷路，正常后，用 16V 直流接入 UC3844 的 7 腳，為震蕩單獨(dú)供電，測(cè)量 8 腳應(yīng)該有 5V 電 壓輸出，6 腳有幾伏左右電壓輸出，說(shuō)明震蕩回路基本正常，故障 在穩(wěn)壓回路，若測(cè)量 8 腳有 5V 電壓輸出，但 6 腳電壓為 0V，查 8 腳外接元件，6 腳外圍元件。如果測(cè)量 8，6 腳電壓都為 0V，UC3844 芯片已經(jīng)損壞，需要更換。（2）開(kāi)關(guān)電源出現(xiàn)間歇震蕩，能聽(tīng)到“打嗝”或者“吱吱”聲，指示燈時(shí)亮?xí)r滅，這是因?yàn)樨?fù)載電路異常，導(dǎo)致電源過(guò)載，引發(fā)過(guò)流保護(hù)電路動(dòng)作。負(fù)載電流異常上升，引起 一次繞組激磁電流大幅度上升，在電流采樣電阻R11 形成 1V以上的電壓信號(hào)，使芯片內(nèi)部電流檢測(cè)電路啟控，電路停震，R11 上過(guò)流信號(hào)消失，電路又重新啟震，如此循環(huán)往復(fù)，出現(xiàn)間歇震蕩。檢測(cè)方法；測(cè)量供電電路 C8，C26 兩端電阻值，如有短路直通現(xiàn)象，可能為整流二極管 D6有短路，觀察C8，C26 外觀有無(wú)鼓包，噴液等現(xiàn)象，必要時(shí)拆下測(cè)量。供電電路無(wú)異常，可能為負(fù)載電路有短路故 障。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)高壓可調(diào)電源領(lǐng)域中線性電源的缺點(diǎn)，提出一種新型高壓

可調(diào)高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案。給出高頻變壓器的設(shè)計(jì)過(guò)程，提出一 種改進(jìn)型半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；通過(guò)對(duì)半橋變換器進(jìn)行線性建模，提出一種 控制電路的設(shè)計(jì)方法，并提出一種多段分程控制方式。所設(shè)計(jì)的仿 真電路與試驗(yàn)樣機(jī)的啟動(dòng)響應(yīng)波形基本一致，有效驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方 案的可行性。此種高壓可調(diào)高頻開(kāi)關(guān)電源具有體積小、穩(wěn)定性好、 效率高、成本低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)線性電源的缺 點(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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