开关电源变压器的物理绕制方法很重要,好的绕制方法可以让电源的性能变得非常好,如果绕制方法不好就有可能导致电源噪声很大,性能变差。尤其是开关电源的变压器与我们平常见到的工频变压器相比,设计要求更为苛刻。
我之前在绕制变压器时,总结了三个影响变压器的因素:
1.电源是否必须符合所有的安全规范
按照开关电源的安全规程,如果开关电源的输入电压峰值高于40V时,那开关电源就要受到一个或者多个国际安全规程组织所制定的规程约束。这些组织一般互相借鉴对方的安全规程,但设计者仍要再查看自己产品所销售的市场要求,比如欧洲地区需要IEC标准;如果销往美国,那就要满足UL认证;如果是加拿大,那就是CAS认证;如果是日本,那就是VCCI认证;中国的就是3C认证。
2.绕组之间耦合要好
我们的开关电源变压器通常使用的磁芯是E-E磁芯和从E-E衍生出来的一些磁芯,这类型变压器一般使用在输入交流电压为90~260V之间的电源,这些磁芯都有骨架,这让变压器制作变得比较容易。
我们的安全规程组织对变压器结构的要求是非常明确的,需要爬电距离或输入绕组和输出绕组表面的距离不能低于4mm。通常我们为了满足这个要求,就需要在骨架中的绕线区域的两端放置2mm厚的绝缘胶带,把绕线绕在边沿的带子之间。这些边沿的带子在绝缘的绕组之间就增加了4mm的距离。
导线从骨架中引出的时候也要绕上绝缘带,这也是由于标准规定导线通过这4mm空间时的要求。
3.所有绕组的漏感应该尽可能的小
变压器漏感是指没有耦合到磁芯或其他绕组的可测量电量感,我们可以把漏感等效于一个独立的电感串接在绕组的引线上一样。漏感通常是功率开关管漏极或集电极或者输出二极管阳极上的产生尖峰电压的原因。
对于漏感,我们可以参照下面的公式进行计算:
L(leak)=【K1*L(mt)*N(x)*N(x)*(Tins bw/3)】/100W1;
其中: K1——对于简单的一次和二次绕组,我们一般取3,如果二次绕组交错在一次绕组两层之间,那我们可以取0.85;
L(mt)——整根绕线绕在骨架上平均每匝的长度;
N(x) ——绕组所包含的匝数;
W1——绕组的宽度;
Tins——绕线的绝缘厚度;
bw——制作好的变压器所有绕组厚度
以上的参数都会影响绕组漏感,我们在设计变压器时能够把控的因素只有选择磁芯中柱长的磁芯。绕组越宽,漏感越小。把绕组的匝数控制在最少程度,对减小漏感有很大的帮助。从上式中,我们可以看到匝数对漏感的影响是二次方关系。另外,一次二次耦合的好坏对一次漏感也有很大的影响。
因为这三个因素互相影响,我们在制作变压器时一般采取折中的方法。
我们在绕制变压器时也总结了三种绕线的方法:
第一种就是直接绕制法,就是将线圈一层接着一层来回绕制,这种方法绕出来的变压器效果很差,会导致线圈间的电压差很大,还有可能接近绝缘击穿电压。
第二种叫做累进式绕线法,这种绕线方法就是先绕制第一层的一部分,再在第一层上绕回去,形成第二层的一部分,这样交替绕制第一层和第二层线圈。我们知道线圈的最大电压就是累进的圈数的倍数。我们采用分区骨架把原来的线圈匝数分成相等的几部分,在每一个部分中,线圈之间的最大电压差就只有输入电压的几分之一;这类绕线方式做出来的变压器效果最好。
第三种叫做Z形绕法,是在第一层绕好后,把导线拉回到第一层刚开始绕线的那一侧,并在第一层上绕线。它的效果介于直接绕制和累进式绕线法之间。