工程師必備：變壓器繞制工藝秘笈

工程師必備：變壓器繞制工藝秘笈心中有冰時(shí)間：2023-08-2748546次閱讀【網(wǎng)友評(píng)論13條我要評(píng)論】

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許多的工程師對(duì)變壓器的繞制工藝把握不準(zhǔn)，導(dǎo)致做出來(lái)的產(chǎn)品，反復(fù)的調(diào)試才能符合初始的設(shè)計(jì)參數(shù)要求，變壓器的工藝設(shè)計(jì)涉及到的東西很多，下面我就這個(gè)問(wèn)題向達(dá)家介紹一下各種繞制工藝對(duì)電源各項(xiàng)參數(shù)的影響，希望能對(duì)大家有鎖幫助。要想把變壓器設(shè)計(jì)好，首先就需要選擇好變壓器，變壓器的選擇受到很多的因素制約，首先，需要計(jì)算好變壓器的Ap值，得到Ap值之后，我們就要根據(jù)電源的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)初步選擇變壓器，包括變壓器的高度，寬度以及長(zhǎng)度。當(dāng)電源的整體高度有限制時(shí)，就需要考慮扁平型的變壓器，臥式變壓器是首選。常見(jiàn)的有EE系列，EC系列，ER系列的臥式變壓器，EF系列與EFD系列變壓器；如果是超薄的適配器與LED日光燈內(nèi)置電源，可以考慮平面變壓器。而如果PCB的空間有限，應(yīng)該選擇PQ，RM，或者罐形磁芯，因?yàn)檫@些磁芯的截面積大，占用空間小，可以輸出更大的功率

其次，在選擇變壓器的時(shí)候我們要根據(jù)電路的參數(shù)與側(cè)重點(diǎn)不同，而選擇不同的變壓器。比方，在反激電源中，我們希望漏感越小越好，因?yàn)槁└写笮?huì)影響功率器件的電壓與電流應(yīng)力，同時(shí)對(duì)EMC也有不可無(wú)視的影響，那么我們就找對(duì)漏感控制有利的變壓器，如PQ型，RM型，以及ERL型的變壓器，再加上合理的繞法，可以將漏感控制在3%以下。又如LLC電源，我們希望用變壓器的漏感來(lái)作為諧振電感，所以我們需要刻意加大漏感，選用分槽的骨架來(lái)繞制比擬理想。再次，在選擇變壓器的時(shí)候，要考慮到本錢與通用性。本錢不僅僅是每個(gè)企業(yè)老板關(guān)心的問(wèn)題，同樣是我們廣闊研發(fā)工程師最糾結(jié)的問(wèn)題，除非是少數(shù)軍品級(jí)別或高檔不計(jì)本錢的電源，我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候要在性能參數(shù)與本錢之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，不要刻意去追求某個(gè)參數(shù)而忽略帶來(lái)的本錢影響，有時(shí)哪怕每個(gè)變壓器增加幾分錢的本錢，如果批量起來(lái)，都是不可忽略的一筆開(kāi)支。除非由于商業(yè)因素的考慮，希望自己的產(chǎn)品不被其它的廠商所抄襲，一般不考慮私模或偏門的變壓器磁芯與骨架，因?yàn)榱慨a(chǎn)的時(shí)候，供貨的渠道與周期都會(huì)受到很大的制約，而通用的磁芯，無(wú)論在價(jià)格上還是在供貨渠道與周期都有很大的可選擇性。看以下列圖片：選擇變壓器的時(shí)候，還要考慮到為了符合安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，EMC性能。首先，要考慮變壓器骨架的繞線寬度，變壓器為了符合安規(guī)中的爬電就離要求，一般都要在繞組邊上加3mm的擋墻，那么這就縮小了變壓器骨架的可用繞線寬度；而如果不加擋墻的話，就需要使用三重絕緣線，而三重絕緣線的外徑一般比內(nèi)部的銅線直徑大0.2mm，那么，同樣的窗口面積，繞線的匝數(shù)相當(dāng)于減少了。其次，要考慮變壓器骨架的槽深，有時(shí)為了EMC，需要在變壓器內(nèi)部參加屏蔽層，有些用細(xì)線繞，有的用銅箔繞，這些繞組無(wú)疑會(huì)增加繞組的層數(shù)，也就是說(shuō)可用于繞制變壓器其他繞組的槽深就減少了。選擇變壓器要考慮到繞組裝配工藝的影響很多的工程師在設(shè)計(jì)變壓器的時(shí)候，沒(méi)有考慮到裝配工藝，往往會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：變壓器計(jì)算好之后，把參數(shù)發(fā)給變壓器廠做樣；然后，變壓器廠工程師打說(shuō)繞不下，磁芯太緊，不好裝配，不利于量產(chǎn)；最后不得不修改變壓器參數(shù)；這樣無(wú)疑會(huì)延緩工程的進(jìn)度。所以在設(shè)計(jì)之初，我們就要考慮到變壓器磁芯窗口的誤差，以及繞線工藝、絕緣TAPE的厚度等因素，這些因素都會(huì)影響變壓器的裝配；我們?cè)谟?jì)算時(shí)應(yīng)該對(duì)這些因素給予充分考慮，留有一定的余量。變壓器的繞制方法與考前須知普通分層繞法：一般的單輸出電源，變壓器分為3個(gè)繞組，初級(jí)繞組Np,次級(jí)繞組Ns,輔助電源繞組Nb；當(dāng)實(shí)用普通分層繞法時(shí)，繞制的順序是：Np--Ns--Nb，當(dāng)然也有的是采用Nb--Ns--Np的繞法，但不常用。此種繞法工藝簡(jiǎn)單，易于控制磁芯的各種參數(shù)，一致性較好，繞線本錢低，適用于大批量的生產(chǎn)，但漏感稍大，故適用于對(duì)漏感不敏感的小功率場(chǎng)合，一般功率小于10W的電源中普遍實(shí)用這種繞法三明治繞法三明治繞法久負(fù)盛名，幾乎每個(gè)做電源的人都知道這種繞法，但真正對(duì)三明治繞法做過(guò)深入研究的人，應(yīng)該不多。相信很多人都吃過(guò)三明治，就是兩層面包中間夾一層奶油。顧名思義，三明治繞法就是兩層夾一層的繞法。由于被夾在中間的繞組不同，三明治又分為兩種繞法：初級(jí)夾次級(jí)，次級(jí)夾初級(jí)。先來(lái)看第一種，初級(jí)夾次級(jí)的繞法〔也叫初級(jí)平均繞法〕

如上圖，順序?yàn)镹p/2,Ns,Np/2,Nb，此種繞法有量大優(yōu)點(diǎn)，由于增加了初次級(jí)的有效耦合面積，可以極大的減少變壓器的漏感，而減少漏感帶來(lái)的好處是顯而易見(jiàn)的：漏感引起的電壓尖峰會(huì)降低，這就使MOSFET的電壓應(yīng)力降低，同時(shí)，由MOSFET與散熱片引起的共模干擾電流也可以降低，從而改善EMI；由于在初級(jí)中間參加了一個(gè)次級(jí)繞組，所以減少了變壓器初級(jí)的層間分布電容，而層間電容的減少，就會(huì)使電路中的寄生振蕩減少，同樣可以降低MOSFET與次級(jí)整流管的電壓電流應(yīng)力，改善EMI。第二種，次級(jí)夾初級(jí)的繞法〔也叫次級(jí)平均繞法〕

如上圖，順序?yàn)镹s/2,Np,Ns/2,Nb。當(dāng)輸出是低壓大電流時(shí)，一般采用此種繞法，其優(yōu)點(diǎn)有二：1、可以有效降低銅損引起的溫升：由于輸出是低壓大電流，故銅損對(duì)導(dǎo)線的長(zhǎng)度較為敏感，繞在內(nèi)側(cè)的Ns/2可以有效較少繞線長(zhǎng)度，從而降低此Ns/2繞組的銅損及發(fā)熱。外層的Ns/2雖說(shuō)繞線相對(duì)較長(zhǎng)，但是根本上是在變壓器的外層，散熱良好故溫度也不會(huì)太高。2、可以減少初級(jí)耦合至變壓器磁芯高頻干擾。由于初級(jí)遠(yuǎn)離磁芯，次級(jí)電壓低，故引起的高頻干擾小。我們大家來(lái)進(jìn)一步深入討論下這個(gè)三明治繞發(fā)對(duì)EMI的影響。首先，我們來(lái)看初級(jí)夾次級(jí)的繞法，我們知道，變壓器的初級(jí)由于電壓較高，所以繞組較多，一般要超過(guò)2層，有時(shí)甚至到達(dá)4-5層，這就給變壓器帶來(lái)一個(gè)分布參數(shù)---層間電容，形成原理相信大家都清楚，我就不多解釋了。當(dāng)MOSFET關(guān)斷的時(shí)候，變壓器的漏感與MOSFET的結(jié)電容以及變壓器的層間電容會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，幅度到達(dá)幾十甚至超過(guò)一百V，這對(duì)MOSFET與EMI來(lái)說(shuō)都是不允許的，所以，我們?cè)黾覴CD吸收來(lái)抑制這個(gè)振蕩，到達(dá)保護(hù)MOSFET與改善EMI的目的。上圖即為反激電源MOSFET的Vds波形從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，三明治繞法是