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变压器绕制的工艺有哪些?

电子设计 2019-02-11 16:29 次阅读

要想把变压器设计好,首先就需要选择好变压器

变压器的选择受到很多的因素制约,以前我在很多帖子中多次说过,这里再次重复下。

首先,需要计算好变压器的Ap值,计算方法坛子里有很多相关的帖子,大家可以搜下,我在这里就不在赘述了。(心中有冰大师最后还是贴出来了,呵呵具体见最后)得到Ap值之后,我们就要根据电源的结构尺寸来初步选择变压器,包括变压器的高度,宽度以及长度。当电源的整体高度有限制时,就需要考虑扁平型的变压器,卧式变压器是首选。常见的有EE系列,EC系列,ER系列的卧式变压器,EF系列与EFD系列变压器;如果是超薄的适配器与LED日光灯内置电源,可以考虑平面变压器。而如果PCB的空间有限,应该选择PQ,RM,或者罐形磁芯,因为这些磁芯的截面积大,占用空间小,可以输出更大的功率

其次,在选择变压器的时候我们要根据电路的参数与侧重点不同,而选择不同的变压器。比如,在反激电源中,我们希望漏感越小越好,因为漏感大小会影响功率器件的电压与电流应力,同时对EMC也有不可忽视的影响,那么我们就找对漏感控制有利的变压器,如PQ型,RM型,以及ERL型的变压器,再加上合理的绕法,可以将漏感控制在3%以下。又如LLC电源,我们希望用变压器的漏感来作为谐振电感,所以我们需要刻意加大漏感,选用分槽的骨架来绕制比较理想。

再次,在选择变压器的时候,要考虑到成本与通用性。成本不仅仅是每个企业老板关心的问题,同样是我们广大研发工程师最纠结的问题,除非是少数军品级别或高档不计成本的电源,我们在设计的时候要在性能参数与成本之间找到一个平衡点,不要刻意去追求某个参数而忽略带来的成本影响,有时哪怕每个变压器增加几分钱的成本,如果批量起来,都是不可忽略的一笔开支。除非由于商业因素的考虑,希望自己的产品不被其它的厂商所抄袭,一般不考虑私模或偏门的变压器磁芯与骨架,因为量产的时候,供货的渠道与周期都会受到很大的制约,而通用的磁芯,无论在价格上还是在供货渠道与周期都有很大的可选择性。

选择变压器的时候,还要考虑到为了符合安规标准,EMC性能。

首先,要考虑变压器骨架的绕线宽度,变压器为了符合安规中的爬电就离要求,一般都要在绕组边上加3mm的挡墙,那么这就缩小了变压器骨架的可用绕线宽度;而如果不加挡墙的话,就需要使用三重绝缘线,而三重绝缘线的外径一般比内部的铜线直径大0.2mm,那么,同样的窗口面积,绕线的匝数相当于减少了。

其次,要考虑变压器骨架的槽深,有时为了EMC,需要在变压器内部加入屏蔽层,有些用细线绕,有的用铜箔绕,这些绕组无疑会增加绕组的层数,也就是说可用于绕制变压器其他绕组的槽深就减少了。

选择变压器还要考虑到绕组装配工艺的影响。

很多的工程师在设计变压器的时候,没有考虑到装配工艺,往往会出现这样的情况:变压器计算好之后,把参数发给变压器厂做样;然后,变压器厂工程师打电话说绕不下,磁芯太紧,不好装配,不利于量产;最后不得不修改变压器参数;这样无疑会延缓项目的进度。所以在设计之初,我们就要考虑到变压器磁芯窗口的误差,以及绕线工艺、绝缘TAPE的厚度等因素,这些因素都会影响变压器的装配;我们在计算时应该对这些因素给予充分考虑,留有一定的余量。

上面谈了变压器的磁芯骨架选择考虑的问题,下面来谈谈变压器的绕制方法与注意事项。

普通分层绕法:

一般的单输出电源,变压器分为3个绕组,初级绕组Np,次级绕组Ns,辅助电源绕组Nb;当实用普通分层绕法时,绕制的顺序是:Np--Ns--Nb,当然也有的是采用Nb--Ns--Np的绕法,但不常用,原因大家可以先思考下,过几天我再分析。

此种绕法工艺简单,易于控制磁芯的各种参数,一致性较好,绕线成本低,适用于大批量的生产,但漏感稍大,故适用于对漏感不敏感的小功率场合,一般功率小于10W的电源中普遍实用这种绕法

三明治绕法

三明治绕法久负盛名,几乎每个做电源的人都知道这种绕法,但真正对三明治绕法做过深入研究的人,应该不多

相信很多人都吃过三明治,就是两层面包中间夹一层奶油。顾名思义,三明治绕法就是两层夹一层的绕法。由于被夹在中间的绕组不同,三明治又分为两种绕法:初级夹次级,次级夹初级。

先来看第一种,初级夹次级的绕法(也叫初级平均绕法)

如上图,顺序为Np/2,Ns,Np/2,Nb,此种绕法有量大优点:由于增加了初次级的有效耦合面积,可以极大的减少变压器的漏感,而减少漏感带来的好处是显而易见的:漏感引起的电压尖峰会降低,这就使MOSFET的电压应力降低,同时,由MOSFET与散热片引起的共模干扰电流也可以降低,从而改善EMI;由于在初级中间加入了一个次级绕组,所以减少了变压器初级的层间分布电容,而层间电容的减少,就会使电路中的寄生振荡减少,同样可以降低MOSFET与次级整流管的电压电流应力,改善EMI

第二种,次级夹初级的绕法(也叫次级平均绕法)

如上图,顺序为Ns/2,Np,Ns/2,Nb。当输出是低压大电流时,一般采用此种绕法,其优点有二:

1、可以有效降低铜损引起的温升:由于输出是低压大电流,故铜损对导线的长度较为敏感,绕在内侧的Ns/2可以有效较少绕线长度,从而降低此Ns/2绕组的铜损及发热。外层的Ns/2虽说绕线相对较长,但是基本上是在变压器的外层,散热良好故温度也不会太高。

2、可以减少初级耦合至变压器磁芯高频干扰。由于初级远离磁芯,次级电压低,故引起的高频干扰小。

以上是我对三明治绕法的几点粗浅看法,可能有错误,欢迎大家指教。三明治绕法引申的还有很多的内容可讲,今天先讲这么多,明天继续。

下面,我们大家来进一步深入讨论下这个三明治绕发对EMI的影响

首先,我们来看初级夹次级的绕法。我们知道,变压器的初级由于电压较高,所以绕组较多,一般要超过2层,有时甚至达到4-5层,这就给变压器带来一个分布参数---层间电容,形成原理相信大家都清楚,我就不多解释了。当MOSFET关断的时候,变压器的漏感与MOSFET的结电容以及变压器的层间电容会产生振动,幅度达到几十甚至超过100V,这对MOSFET与EMI来说都是不允许的,所以,我们增加RCD吸收来抑制这个振荡,达到保护MOSFET与改善EMI的目的。

上图即为反激电源MOSFET的Vds波形

从这个角度来说,三明治绕法是可以在一定程度上改善EMI。

从另外一个角度来说,三明治绕法确实是增加了初次级的耦合面积,减少了漏感,同时又使初次级的耦合电容增加了;当开关管反复开关时,电容也会反复充放电,也就是说会引起振荡,此振荡正比于开关频率,会对EMI产生不利的影响。从上面的分析看,三明治绕法是否能起到改善EMI的效果,只能具体问题来分析

所以,我昨天的分析应该说是不够严谨,特向广大网友致歉

那我就说说三重绝缘线吧:

三重绝缘线:Triple Insulated Wire (工程上用TIW表示)

三重绝缘线是一种高性能绝缘导线,其有三层绝缘材料,中间是导线芯;最外层是透明的玻璃纤维;中间层是喷漆涂层;最内层是被国外市场称之为“黄金薄膜”的一厚度仅仅几微米的聚酰胺薄膜,但是却可以承受3KV的脉冲高压。绝缘材料的总厚度不超过100μm。所以我们在计算变压器的时候,如果要使用三重绝缘线,一般把外径加上0.2mm。

三层绝缘线检验标准是直流12kv,相当于交流6kv,大大超过变压器耐压标准,所以不需要加挡墙,即可满足变压器的安规需求。

耐高温的漆包线,漆包线的规格型号如下:

聚酯漆包线(QZ/PEW)

聚氨酯漆包线(QA/UEW)

55℃改性聚酯漆包线(QZG)

180℃聚酯亚胺漆包线(QZY/EIW)

聚酯漆包铜包铝线QZ(CCA)

聚氨酯漆包铜包铝线QA(CCA) 

温度等级: B级(130℃)、F级(155℃)、H级(180℃)、C级(180℃以上)

AP植的计算:

Ap= Aw*Ae=(Pt*104)/(2ΔB*fs*J*Ku)

Ap:变压器功率容量

Aw:磁芯窗口面积

Ae:磁芯横截面接

Pt:变压器的传递功率( Pt = Po /η +Po )

ΔB:磁通密度变化量(一般取0.2-0.3)

fs:磁芯工作频率

j:电流密度(自冷取0.4-0.6,风冷取0.6-1)

Ku:窗口的铜填充系数(一般取 0.2-0.5)

EMC: 电磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility),是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此,EMC包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。

EMI: 电磁干扰(Electromagnetic Interference 简称EMI),是指电磁波与电子元件作用后而产生的干扰现象,有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络,在高速PCB及系统设计中,高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源,能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。

EMI与EMS和EMC的区别在哪里?

EMS(Electro Magnetic Susceptibility)直译是“电磁敏感度”。其意是指由于电磁能量造成性能下降的容易程度。为通俗易懂,我们将电子设备比喻为人,将电磁能量比做感冒病毒,敏感度就是是否易患感冒。如果不易患感冒,说明免疫力强,也就是英语单词Immunity,即抗电磁干扰性强。

EMC(Electro Magnetic Compatibility)直译是“电磁兼容性”。意指设备所产生的电磁能量既不对其它设备产生干扰,也不受其他设备的电磁能量干扰的能力。

EMC这个术语有其非常广的含义。如同盲人摸象,你摸到的与实际还有很大区别。特别是与设计意图相反的电磁现象,都应看成是EMC问题。

电磁能量的检测、抗电磁干扰性试验、检测结果的统计处理、电磁能量辐射抑制技术、雷电和地磁等自然电磁现象、电场磁场对人体的影响、电场强度的国际标准、电磁能量的传输途径、相关标准及限制等均包含在EMC之内。

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发表于 01-07 08:00 81次 阅读
微机变压器差动保护调试方法和RCS-985试验说明

确定PCB Layout爬电距离及工艺要求

变压器内部的电气隔离距离是指变压器两边的挡墙宽度的总和,如果变压器挡墙的宽度为3mm,那么变压器的电....
的头像 PCBworld 发表于 01-06 10:20 578次 阅读
确定PCB Layout爬电距离及工艺要求

无载调压分接头开关的调节方法

变压器由于电网中即是同一等级电压,由于线路压降等原因,各处的电压也不是完全相同的,所以变压器安装在不....
发表于 01-03 09:58 208次 阅读
无载调压分接头开关的调节方法

智能电气一二次设备融合的方向转变

在智能电网建设工程驱动下,一、二次设备界限已经变得难以界定,二次设备的部分功能转移到一次设备之中,融....
的头像 智能电网开关柜 发表于 01-02 14:44 766次 阅读
智能电气一二次设备融合的方向转变

PCB板检测的时候需要注意那些细节9个常识点详细说明

PCB板的检测是时候要注意一些细节方面,以便更有准备地保证产品质量,在检测PCB板的时候,我们应注意....
的头像 PCBworld 发表于 12-31 09:34 1069次 阅读
PCB板检测的时候需要注意那些细节9个常识点详细说明

需要了解的PCB板检测9大细节

PCB板的检测是时候要注意一些细节方面,以便更准备的保证产品质量,在检测PCB板的时候,我们应注意下....
的头像 澳门新萄京3522 发表于 12-31 08:44 965次 阅读
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PSpice器件模型仿真库的详细64222葡京的网址介绍

ANALOGOLB是常用零件库:电阻、可变电阻、电容、可变电容、电解、电感、延迟线等共23个常用元件....
发表于 12-27 08:00 262次 阅读
PSpice器件模型仿真库的详细64222葡京的网址介绍

精品 反激开关电源变压器设计及调试

1、反激电源高频变压器设计 a、占空比的设定,频率f的设定 b、匝数比设定 ....
发表于 12-26 09:38 0次 阅读
精品 反激开关电源变压器设计及调试