作(zuò)者　趙鳳儉1 趙玉明2 張麗潔3 1.睿查森電(diàn)子貿易(中(zhōng)國(guó))有(yǒu)限公(gōng)司(北京 100020) 2.天地科(kē)技(jì )股份有(yǒu)限公(gōng)司(北京 100013) 3.北京華清能(néng)源科(kē)技(jì )有(yǒu)限公(gōng)司(北京 100080)

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　　趙鳳儉(1979-)，男，碩士，高級工(gōng)程師，研究方向：電(diàn)力電(diàn)子設備及元器件應用(yòng)的相關技(jì )術;趙玉明，男，碩士，副研究員，研究方向：特殊施工(gōng)技(jì )術應用(yòng)及監測監控技(jì )術開發;張麗潔，女，工(gōng)程師，研究方向：新(xīn)能(néng)源設備的電(diàn)氣設計。

摘要：本文(wén)基于開關電(diàn)源中(zhōng)變壓器的工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)和平面變壓器自身特點，對模塊型開關電(diàn)源中(zhōng)的平面變壓器的設計、加工(gōng)、工(gōng)藝和應用(yòng)進行了全面研究。明确指出平面變壓器在各種常見電(diàn)路拓撲中(zhōng)的适用(yòng)性問題，給出了平面變壓器設計的參數計算過程，并進行了具(jù)體(tǐ)實例的參數計算。介紹了電(diàn)路闆繞組設計、平面變壓器裝(zhuāng)配和電(diàn)源整機工(gōng)藝設計，給出了平面變壓器和電(diàn)源整機實際設計與應用(yòng)案例，并對整機進行性能(néng)測試，驗證了設計的可(kě)行性及合理(lǐ)性。

引言

　　模塊型開關電(diàn)源廣泛應用(yòng)于工(gōng)業、航空航天、計算機硬件及電(diàn)信等各個領域中(zhōng)，其核心部件之一為(wèi)高頻變壓器。在實際的應用(yòng)中(zhōng)，開關電(diàn)源小(xiǎo)型化、輕量化始終都是技(jì )術發展趨勢，而高頻變壓器在開關電(diàn)源小(xiǎo)型化過程中(zhōng)起着關鍵作(zuò)用(yòng)^[1~2]。随着磁性材料的改進和功率半導體(tǐ)器件工(gōng)作(zuò)頻率的提高，使得高頻變壓器的重量和尺寸減小(xiǎo)成為(wèi)可(kě)能(néng)。

　　平面型變壓器在提高模塊型開關電(diàn)源的特性方面有(yǒu)着很(hěn)大的優勢，因此，近年來得到了廣泛的應用(yòng)。采用(yòng)鐵氧體(tǐ)磁芯和多(duō)層電(diàn)路闆繞組的平面型變壓器，具(jù)有(yǒu)高度低、體(tǐ)積小(xiǎo)、效率高、電(diàn)磁幹擾小(xiǎo)、産(chǎn)品一緻性好、适合自動化表面貼裝(zhuāng)等特點，尤其适用(yòng)于空間或高度存在限制、對節能(néng)及散熱要求苛刻的模塊型電(diàn)源産(chǎn)品，具(jù)有(yǒu)廣闊的應用(yòng)前景^[3~4]。

1 電(diàn)路拓撲适用(yòng)性

　　正激及其衍生出的雙管正激等電(diàn)路拓撲的高頻隔離變壓器，在單路輸出時，由于原副邊都沒有(yǒu)中(zhōng)間抽頭，使得平面型變壓器的電(diàn)路闆繞組設計和加工(gōng)工(gōng)藝簡單，且磁芯不需要開氣隙，特别适用(yòng)于大批量自動化生産(chǎn)。而對于橋類電(diàn)路拓撲，如需要變壓器引出中(zhōng)間抽頭，則其變壓器在設計和加工(gōng)工(gōng)藝方面相對正激拓撲較為(wèi)複雜。

2 變壓器的參數計算

　　開關電(diàn)源中(zhōng)變壓器的參數計算步驟如下：

　　1)根據開關電(diàn)源性能(néng)參數要求，選擇合适的電(diàn)路拓撲;

　　2)磁芯體(tǐ)積選擇計算;

　　3)确定磁芯型号及其相關參數;

　　4)确定變壓器匝比;

　　5)計算原邊匝數;

　　6)根據匝比和原邊匝數，确定副邊匝數;

　　7)反推實際最大占空比;

　　8)反推實際ΔB。

　　以150W功率、輸入直流電(diàn)壓200~400V、輸出直流電(diàn)壓24V模塊型開關電(diàn)源進行設計舉例。采用(yòng)AP法^[5-6]，确定磁芯大小(xiǎo)，考慮雙管正激電(diàn)路拓撲的自身特點和類似産(chǎn)品的設計調試經驗，取開關頻率fs=300kHz，對應開關周期T=3.3μs，并設置最大占空比δmax=0.41;采用(yòng)宜賓金川RM2.3KD磁材^[7]，取磁感應強度變化量ΔB=1800GS。

　　經過計算得到的實際ΔB值小(xiǎo)于1800GS，最大占空比小(xiǎo)于0.41，滿足設計要求，且有(yǒu)一定餘量。故可(kě)确定使用(yòng)EI22磁芯^[7]，按照原副邊匝數比19：6完成此款模塊型開關電(diàn)源的變壓器設計。

3 電(diàn)路闆繞組設計

　　基于EI22磁芯的外形尺寸和原副邊的匝數開展電(diàn)路闆繞組的設計。平面型EI磁芯的長(cháng)、寬、高依次為(wèi)21.8mm、15.8mm、9.2mm，窗口高度為(wèi)4.2mm。考慮到8層電(diàn)路闆的标準厚度為(wèi)1.6mm，故采用(yòng)兩塊8層電(diàn)路闆并聯擺放的設計。每塊8層電(diàn)路闆包含事先計算好的原副邊匝數，當采用(yòng)兩塊電(diàn)路闆并聯時，等同為(wèi)繞組并聯，用(yòng)以增加導體(tǐ)截面積，裝(zhuāng)配截面如圖1所示。

　　加工(gōng)時斷開拼版橋連部分(fēn)，即可(kě)獲得一個變壓器的完整電(diàn)路闆繞組。整個設計中(zhōng)全部過孔設計采用(yòng)貫穿孔，不設埋孔和盲孔。用(yòng)于不同層繞組相互連接的貫穿孔副邊繞組采用(yòng)雙孔設計，保證連接的可(kě)靠性，也加強了層間的同流能(néng)力。具(jù)體(tǐ)損耗計算可(kě)參見文(wén)獻[8-9] 。

4 平面變壓器加工(gōng)工(gōng)藝

　　變壓器裝(zhuāng)配位置标注圖如圖2所示。其中(zhōng)原邊繞組NP1匝數為(wèi)19，繞組引出端為(wèi)C和D，C為(wèi)繞組起始端，D為(wèi)結尾端;副邊繞組NS1匝數為(wèi)6，繞組引出端為(wèi)G和H，G為(wèi)繞組起始端，H為(wèi)結尾端。

　　變壓器生産(chǎn)加工(gōng)步驟如下：

　　1)将電(diàn)路闆在橋連部位折斷，變為(wèi)成套的兩塊小(xiǎo)電(diàn)路闆。用(yòng)鉗子剪掉闆上殘餘的橋連部分(fēn);

　　2)将帶有(yǒu)闆号标識的電(diàn)路闆向上放置，操作(zuò)時要看得見闆号标識;

　　3)将另一塊沒有(yǒu)闆号标識的電(diàn)路闆放在下面，此時兩塊電(diàn)路闆上的45度倒角要對齊;

　　4)将拼好的成對電(diàn)路闆插入變壓器合闆工(gōng)裝(zhuāng)，在A、B兩處的闆縫點适量的黏合膠，将兩塊電(diàn)路闆粘在一起，盡量減小(xiǎo)兩闆之間的空隙;

　　5)将固定後的電(diàn)路闆裝(zhuāng)入EI22磁芯，闆号标識與I磁芯在同一側，使用(yòng)磁材粘合劑将E磁芯和I磁芯粘在一起，夾上夾子;

　　6)在電(diàn)路闆的C、D焊盤上測量電(diàn)感量要求大于2 mH (測試條件為(wèi)100kHz，1V);

　　7)烘烤，使磁材固定。要求在烘烤前後目測E磁芯與I磁芯是否對齊;

　　8)冷卻後再次測量電(diàn)感量;

　　9)在E磁芯上粘上雙面膠;

　　10)進行抗電(diàn)強度測試，測試參數如表1。

　　兩塊繞組電(diàn)路闆的倒角對齊，45°倒角為(wèi)極性标識。加工(gōng)完成的平面變壓器實物(wù)如圖3所示。

5 電(diàn)源整機工(gōng)藝

　　電(diàn)源整體(tǐ)采用(yòng)上下兩塊電(diàn)路闆的方式，分(fēn)為(wèi)鋁基闆和印制闆兩部分(fēn)，兩塊電(diàn)路闆需要分(fēn)别進行生産(chǎn)焊接，再拼裝(zhuāng)為(wèi)整機，最後進行上下電(diàn)路闆的信号連接。

　　上層印制闆為(wèi)雙面覆銅闆，控制電(diàn)路、反饋電(diàn)路、保護電(diàn)路等功耗小(xiǎo)的元器件在印制闆上。下層為(wèi)鋁基闆，變壓器、電(diàn)感、開關管等大功率器件布放在鋁基闆上。印制闆和鋁基闆之間的信号通路用(yòng)針連接，鋁基闆四角鉚裝(zhuāng)螺母用(yòng)于安(ān)裝(zhuāng)散熱器。

　　變壓器進行安(ān)裝(zhuāng)定位之後，利用(yòng)E磁芯下表面的導熱雙面膠與鋁基闆粘合固定在一起，再在如圖2所示的C、D過孔焊盤插入直徑為(wèi)1.0mm的連接針，G、H過孔焊盤插入直徑為(wèi)2.0mm的連接針，并在焊盤上放置适量錫膏，同其它元器件一起過回流焊。

　　安(ān)裝(zhuāng)變壓器時，要貼平、壓緊，以減小(xiǎo)熱阻，保證能(néng)良好散熱。鋁基闆進行回流焊時，應注意爐溫和帶速的控制，确保器件可(kě)靠焊接的同時，盡量避免焊接後在鋁基闆上錫珠和松香的過多(duō)出現。

6 設計與應用(yòng)案例

　　根據上述的設計方法和步驟，将采用(yòng)EI22磁芯的平面變壓器用(yòng)于雙管正激電(diàn)路拓撲的模塊型開關電(diàn)源中(zhōng)，實現單機150W功率、輸入直流電(diàn)壓200~400V、輸出直流電(diàn)壓24V的産(chǎn)品設計。該産(chǎn)品的整體(tǐ)外形尺寸的長(cháng)、寬、高依次為(wèi)86mm、72mm、12.7mm。

　　在輸入直流電(diàn)壓為(wèi)400V，額定輸出工(gōng)況時，持續工(gōng)作(zuò)兩個小(xiǎo)時後，整機中(zhōng)各個器件的溫升到達穩定狀态，産(chǎn)品的熱成像如圖4所示，測試環境溫度在23.5℃情況下，整機中(zhōng)變壓器溫度最高為(wèi)72.6℃;在輸入直流電(diàn)壓為(wèi)200V，額定輸出工(gōng)況時，持續工(gōng)作(zuò)兩個小(xiǎo)時後，整機中(zhōng)各個器件的溫升到達穩定狀态，産(chǎn)品熱成像圖如圖5所示，測試環境溫度在22.9℃情況下，整機中(zhōng)變壓器溫度最高為(wèi)83.6℃。

7 結論

　　本文(wén)詳細闡述了模塊型開關電(diàn)源中(zhōng)的平面變壓器的設計、加工(gōng)、應用(yòng)的全過程。基于平面變壓器本身的加工(gōng)工(gōng)藝複雜度角度，明确指出了平面變壓器在各種常見電(diàn)路拓撲中(zhōng)的适用(yòng)性問題，并在雙管正激電(diàn)路拓撲機車(chē)上開展了平面變壓器設計的參數計算，并給出具(jù)體(tǐ)實例參數計算過程。通過介紹平面變壓器的電(diàn)路闆繞組設計方法和具(jù)體(tǐ)設計過程，展示了多(duō)層電(diàn)路繞阻的鋪設細節和拼版設計技(jì )巧。闡述了平面變壓器加工(gōng)和電(diàn)源整機工(gōng)藝設計，給出了變壓器和電(diàn)源整機的實際設計與應用(yòng)案例，并對整機進行性能(néng)測試，驗證了設計的可(kě)行性及合理(lǐ)性，為(wèi)平面變壓器的大批量自動化生産(chǎn)提供技(jì )術和應用(yòng)參考。