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                  6個步驟輕松計算隔離驅動變壓器!
                  6個步驟輕松計算隔離驅動變壓器!
                    1 引言
                    因為電子設備的電路變得更為復雜,故要求成熟的電氣工程設計參數具有更加臨界的數值。在設計電路的每一個階段,精確的工程計算是基本的要求。同時,在其零部件設計時,這一點也是同樣重要的。所以,必須精心地設計開關電源(SMPS)中門脈沖驅動變壓器的每一個零部件。
                    門脈沖驅動變壓器在開關電源中被要求用來控制電路之間的同步動作。這些器件用來為開頭電源半導件元器件如高壓功率MOSFETs或IGBTs提供電脈沖。這種變壓器也用作電壓隔離和阻抗匹配。門脈沖驅動變壓器是用來驅動電子開關器件門電路的基本脈沖變壓器。設計這類變壓器時,是假定其脈沖的上升、下降和上沖時間都是最佳的值。使用中要辨別它們是門脈沖驅動變壓器還是其它變壓器。
                    在基礎門脈沖驅動變壓器設計中,存在一系列設計變數,其中的每個變數由其專項應用決定。它們的一些通用簡圖及其相應的轉換關系見圖1所示。
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                    在基礎門脈沖驅動變壓器設計中,存在一系列設計變數,其中的每個變數由其專項應用決定。它們的一些通用簡圖及其相應的轉換關系見圖1所示。
                    典型的門脈沖驅動變壓器是用鐵氧體磁心設計制造的,這樣可以降低成本。常用磁心的外形大多數是EE、EER、ETD型。它們都是由“E”型磁心和相應的骨架組成。這些骨架可以采用表面安裝法或通孔安裝法裝配。在有些情況下,也采用環形磁心設計制作門脈沖驅動變壓器。典型的脈沖變壓器設計所要求的參數列于表1。
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                    如果有安全標準(如UL、VDE、CUL、IEC或TUV)的要求,那么,在變壓器設計中必定會涉及可靠的漏電流及其清除方法問題。對于漏電流及其清除方法要求的文件資料,必須從安全工作辦事處取得。
                    如果設計的變壓器是為軍事目的所應用,那么,選用的制作材料可不必依從RoHS指令,磁性器件設計工程師需要了解RoHS指令,因為RoHS指令限制若干種材料在變壓器設計制造中被采用,這將影響變壓器的一些重要性能。
                  2 磁心用材料的選擇
                    設計門脈沖驅動變壓器的第一步是選擇決定磁心用材料。磁心用材料的選擇取決于開關電源的工作頻率。表2列出了由一些磁性材料銷售商推薦的三種不同頻率范圍使用的鐵氧體材料。開關電源(SMPS)的工作頻率將決定門脈沖驅動變壓器初級要求的電感量總值。
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                    3 將寄生參數減至最小

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                    在設計門脈沖驅動變壓器時,其關鍵電氣參數中的兩個參數漏電感值和繞組電容量是需要控制的。因為大的漏電感值和繞組電容量可能引起諸如相位漂移、時間誤差、噪聲和上沖等不合乎使用要求的輸出信號。繞組在弱耦合狀態下會產生漏電感。繞組的匝數較多以及在制造過程中繞組的線匝排列不均勻時都將產生大的繞組電容量。
                    在變壓器的電氣參數設計階段和規范的制造過程中,可以保證漏電感減至最小值。有許多公式可以用來為實際的變壓器設計計算其所希望的漏電感近似值。
                    在變壓器的磁路設計中,用來估算漏電感值的公式之一表述如下:
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                    式中,I L=兩個繞組之間的漏電感值(單位,亨);N=繞組的匝數;MT=整體磁心平均周長(單位,吋);n=繞組之間介質(絕緣)層的數量;c=介質(絕緣)層的厚度(單位,吋);b=繞組的橫向尺寸(單位,吋)。
                    在變壓器的設計制造中,無論如何要避免繞組存在半匝的情況。因為半匝繞組是不耦合的線匝,因此其漏電感值很高。繞組的電容量應保持在“微微法拉”的范圍之內(希望其值小于100PF)。
                    在制造門脈沖驅動變壓器時,其漏感值可以在生產過程中用適當的卷繞方法進行限制。圖2示出的繞組的技術要求,在圖的中心部位示出了卷繞繞組的方法。繞組的規范生產布置情況由圖1C所示。圖中標志出了兩端點(起始點1和結束點6)的引出導線都在初級一側。
                    繞組由中心向兩端繞制的方法可以增加線匝間的感應耦合強度。怎樣繞制這種零件的一步步操作工藝過程表述如下:
                    用紅色和綠色兩根導線(起始點“2”和“3”)雙線卷繞10匝。
                    接著增加一根原來的導線成三股線,持三根導線(這一步以起始點“1”標志)加繞20匝,在總匝數達到30匝時停止原來的導線卷繞。這一步由端點的結束點“6”反映出來。
                    再用紅色和綠色導線一起構成雙線繞制10匝,致使用這些導線卷繞的總匝數為40匝。這一步以端點的結束點“4”和“5”為標志。
                    現在,為設計和繞制門脈沖驅動變壓器提供了基本信息,可以用圖1作為設計實例的參考來完成變壓器的設計。變壓器的電感值范圍應維持在50μH到500μH之間,見表3所列。關于該變壓器的性能參數要求請見表4。
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                    如上所述,設計門脈沖驅動變壓器的第一步是決定什么磁性材料做磁心以及確定磁心的尺寸。在實際的設計應用中,最適合做磁心的材料是3F3鐵氧體或者是具有其等效性能的其它磁性材料,表2所列是由Ferroxcube公司提供的變壓器磁心用材料。
                    因為表中所列出的功率電平小于5W,故選擇3F3鐵氧體材料制作成E5.3/2.7/2型磁心。表中所列磁心的AL值(每千匝的電感率單位,微亨)是265±25%(199~331微亨)。磁心的截面積為0.0265cm2。
                    變壓器繞組的匝數用下列公式計算:
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                    式中,B=磁通量密度(單位,高斯(G));Acore=磁心的截面積(cm2);ET=伏一秒常數(V-μs)。
                    ET可用來檢測變壓器或電感器的能量處理能力,并且它取決于磁心的截面積、磁心所用材料、繞組匝數和所用脈沖的占空因數。
                    在本設計中將采用2000高斯等級的磁通密度。在這樣的磁通密度等級上,不會存在磁心產生飽和的危險性,因為由Ferroxcube公司提供的3F3磁性材料的Bsat值是4000高斯(G);又因為采用的是E型磁心,裝配時在其粗糙的表面上將存在微小的氣隙,也可防止磁心進入飽和狀態。
                    4 確定繞組匝數
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                    因為所有的設計參數已知,變壓器初級繞組的匝數可以用以下公式計算:
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                    式中,B=2000高斯(G);Acore=0.0265cm2(磁心截面積);ET=10.5V-μs。 初級繞組為20匝,次級繞組在40匝時即滿足1∶2∶2的匝比。
                    5 決定導線規格
                    為了使初級繞組的電感值減至最小,輸入電流將采用50μH的電感值進行計算,見表3所列。
                    輸入電流計算式如下:
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                    初級繞組用導線尺寸由下式計算:
                    Awire=(圓周密爾/安培)(Iin)(DT)
                    式中,Awire=導線截面積(單位,圓周密爾);Iin=輸入電流(A);DT=占空因數。
                    以500圓周密爾/安培代入式中,電流為255mA和占空因數為50%時,得到63.75圓周密爾的導線截面積,由#32導線尺寸提供裕度。初級繞組將采用#32H導線[MW80C(155°)],使用MW80C是經過精選的,因為它能滿足130℃的極限溫度要求。同時,它是用焊接的方法拆卸,是最方便的。
                    次級繞組采用什么樣的導線尺寸,取決于每個繞組中3mA的電流等級。每個繞組用圓周密爾為單位計算是1.5,因此#48H導線將被用于每個次級繞組。
                    6 完成設計
                    因為導線尺寸已經算出,以后的任務是要求保證所有使用的材料適合封裝的條件。為把鐵氧體磁心膠合在一起,必須選擇適合的粘結劑
                    初級開路時的電感值用以下公式檢驗:
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                    在磁心的A L值存在著±25%公差時,最小的電感值是75 μ H, 這個電感值是相對較小的, 但它已能夠滿足設計參數要求。最小的電感值必須滿足50 μH。匝數的增加將增大電感值,這時需要折衷處理電容值。所以,2 0匝的規定是必須保證的。
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                    最后,要按客戶的要求進行產品包裝。
                    完成變壓器設計所需要的材料清單見表5所列。
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