開(kāi)關(guān)電源變壓器的設計與開(kāi)關(guān)電源變壓器嘯叫原因

　　開(kāi)關(guān)電源變壓器是加入了開(kāi)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(kāi)關(guān)電源等涉及高頻電路的場(chǎng)合。開(kāi)關(guān)電源變壓器分單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器和雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器，兩種開(kāi)關(guān)電源變壓器的工作原理和結構并不是一樣的。

　　骨架材料：開(kāi)關(guān)變壓器骨架與一般的變壓器骨架不同，除了作為線(xiàn)圈的絕緣與支撐材料外，還承擔了整個(gè)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(mǎn)足絕緣要求外，還應有相當的抗拉強度，同時(shí)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℃，材料必須達到阻燃，且還應加工性好，易于加工成各種形狀。

　　開(kāi)關(guān)電源變壓器的設計：

　　開(kāi)關(guān)電源變壓器是開(kāi)關(guān)電源中的核心部件，作用有三：磁能轉換、電壓變換和絕緣隔離。由于開(kāi)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(shí)變壓器的分布參數亦不能忽略。設計時(shí)需要考慮磁芯材料選擇，磁芯與線(xiàn)圈的結構，繞制工藝等。

　　開(kāi)關(guān)電源變壓器工作于高頻狀態(tài)，分布參數有漏感、分布電容和電流趨膚效應。一般根據開(kāi)關(guān)電源電路設計的要求提出漏感和分布電容限定值，在變壓器的線(xiàn)圈結構設計中實(shí)現，而趨膚效應則作為選擇導線(xiàn)規格的條件之一。

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

　　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(kāi)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，可根據開(kāi)關(guān)變壓器的電路類(lèi)型、使用要求、功率等級、經(jīng)濟指標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格可以選擇。

　　開(kāi)關(guān)電源變壓器參數計算：漏感計算、分布電容計算、穿透深度（導線(xiàn)選擇）、交流電阻計算、電流有效值。

　　由于一次側和二次側繞組間寄生電容的存在，變壓器“開(kāi)關(guān)”時(shí)，在分界處存在dV/dt，將“靜默層”布置在絕緣膠帶的兩側，即一次側和Vin相連的一端，二次側和地相連的一端，分別布置在絕緣膠帶兩側，可以減小分界處寄生電容的dV/dt。由于場(chǎng)效應管的漏極電壓是波動(dòng)的，將其繞為骨架的第一層，這樣外層可屏蔽內層發(fā)射的電磁場(chǎng)。圖1和圖2給出了兩種低噪聲的繞線(xiàn)技術(shù)，可應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比一次側繞組的漏極相連端與絕緣膠帶相鄰時(shí)小得多。此變壓器的優(yōu)點(diǎn)是二次側繞組的“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(gè)靜默端與絕緣膠帶相鄰，此變壓器的優(yōu)點(diǎn)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部一次側和二次側之間使用銅皮“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地，使一次側主繞組發(fā)射的容性噪聲減小，因此傳導至二次側的共模噪聲大大減小。使用法拉第屏蔽的缺點(diǎn)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部一般不使用任何常規的屏蔽，但經(jīng)常使用法拉第屏蔽。

　　在為客戶(hù)設計定制產(chǎn)品時(shí)，客戶(hù)要求在不加外圍輔助電路的情況下，要求傳導過(guò)CLASS B，根據方法一，在結合使用傳統的“三明治繞法”不僅解決了傳導的問(wèn)題，還解決了只用方法一帶來(lái)的變壓器漏感大的問(wèn)題，從而提高了電源的穩定性，也達到了客戶(hù)的要求。該定制產(chǎn)品繞線(xiàn)順序如表1所示，傳導結果如圖4所示，峰值最少有20dB的裕量，平均值也有10dB的裕量。

　　對于帶變壓器拓撲結構的開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，變壓器的電磁兼容性（EMC）設計對整個(gè)開(kāi)關(guān)電源的EMC水平影響較大。通常情況下，加裝電源線(xiàn)濾波器是抑制傳導EMI的必要措施。但是，僅僅依靠電源輸入端的濾波器來(lái)抑制干擾往往會(huì )導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準的限制。本文提出了新的變壓器設計方法。不僅能減少電源線(xiàn)濾波器的體積，對傳導電磁干擾（EMI）的抑制能力更強，且能降低變壓器的制作成本和工藝復雜程度。

　　開(kāi)關(guān)電源變壓器嘯叫原因：

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

　　1、變壓器的工藝問(wèn)題

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

　?、跉庀兜拈L(cháng)度不適合，導致變壓器的工作狀態(tài)不穩定而發(fā)出響聲；

　?、劬€(xiàn)包沒(méi)有繞緊也可能導致響聲；

　?、艽判窘M合有氣隙存在，高頻時(shí)引起空氣振動(dòng)而發(fā)出響聲（變壓器如果經(jīng)過(guò)真空全浸，一般不會(huì )發(fā)聲）。

　　2、變壓器的環(huán)路問(wèn)題

　　變壓器的環(huán)路問(wèn)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€(xiàn)不當，從而造成干擾引發(fā)振蕩，導致響聲；

　?、诜答伝芈穮翟O置不當，導致環(huán)路不穩定以致產(chǎn)生振蕩而發(fā)出響聲；

　?、郗h(huán)路中元器件的質(zhì)量問(wèn)題，如輸入濾波電容容量不足，輸出整流快恢復二極管質(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(wèn)題都有可能導致震蕩而引起響聲。

　　3、變壓器的鐵心問(wèn)題

　　變壓器鐵心發(fā)生飽和時(shí)，線(xiàn)圈中電流增大，變壓器發(fā)熱并產(chǎn)生自激震蕩，線(xiàn)圈的振蕩引起周?chē)諝獾恼駝?dòng)從而發(fā)出響聲。

　　4、開(kāi)關(guān)電源的負載問(wèn)題

　?、匍_(kāi)關(guān)電源在空載或輕載的情況下，在某些工作點(diǎn)處會(huì )發(fā)生振蕩現象，表現為變壓器的嘯叫和輸出的不穩定。

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

　?、谧儔浩鞴ぷ髟趪乐氐某d狀態(tài)，時(shí)刻都有燒毀的可能——這就是許多電源燒毀前“慘叫”的由來(lái)。