模块电源中平面变压器的设计与应用

作者　赵凤俭1 赵玉明2 张丽洁3 1.睿查森电子贸易(中国)有限公司(北京 100020) 2.天地科技股份有限公司(北京 100013) 3.北京华清能源科技有限公司(北京 100080)

　　赵凤俭(1979-)，男，硕士，高级工程师，研究方向：电力电子设备及元器件应用的相关技术;赵玉明，男，硕士，副研究员，研究方向：特殊施工技术应用及监测监控技术开发;张丽洁，女，工程师，研究方向：新能源设备的电气设计。

摘要：本文基于开关电源中变压器的工作原理和平面变压器自身特点，对模块型开关电源中的平面变压器的设计、加工、工艺和应用进行了全面研究。明确指出平面变压器在各种常见电路拓扑中的适用性问题，给出了平面变压器设计的参数计算过程，并进行了具体实例的参数计算。介绍了电路板绕组设计、平面变压器装配和电源整机工艺设计，给出了平面变压器和电源整机实际设计与应用案例，并对整机进行性能测试，验证了设计的可行性及合理性。

引言

　　模块型开关电源广泛应用于工业、航空航天、计算机硬件及电信等各个领域中，其核心部件之一为高频变压器。在实际的应用中，开关电源小型化、轻量化始终都是技术发展趋势，而高频变压器在开关电源小型化过程中起着关键作用^[1~2]。随着磁性材料的改进和功率半导体器件工作频率的提高，使得高频变压器的重量和尺寸减小成为可能。

　　平面型变压器在提高模块型开关电源的特性方面有着很大的优势，因此，近年来得到了广泛的应用。采用铁氧体磁芯和多层电路板绕组的平面型变压器，具有高度低、体积小、效率高、电磁干扰小、产品一致性好、适合自动化表面贴装等特点，尤其适用于空间或高度存在限制、对节能及散热要求苛刻的模块型电源产品，具有广阔的应用前景^[3~4]。

1 电路拓扑适用性

　　正激及其衍生出的双管正激等电路拓扑的高频隔离变压器，在单路输出时，由于原副边都没有中间抽头，使得平面型变压器的电路板绕组设计和加工工艺简单，且磁芯不需要开气隙，特别适用于大批量自动化生产。而对于桥类电路拓扑，如需要变压器引出中间抽头，则其变压器在设计和加工工艺方面相对正激拓扑较为复杂。

2 变压器的参数计算

　　开关电源中变压器的参数计算步骤如下：

　　1)根据开关电源性能参数要求，选择合适的电路拓扑;

　　2)磁芯体积选择计算;

　　3)确定磁芯型号及其相关参数;

　　4)确定变压器匝比;

　　5)计算原边匝数;

　　6)根据匝比和原边匝数，确定副边匝数;

　　7)反推实际最大占空比;

　　8)反推实际ΔB。

　　以150W功率、输入直流电压200~400V、输出直流电压24V模块型开关电源进行设计举例。采用AP法^[5-6]，确定磁芯大小，考虑双管正激电路拓扑的自身特点和类似产品的设计调试经验，取开关频率fs=300kHz，对应开关周期T=3.3μs，并设置最大占空比δmax=0.41;采用宜宾金川RM2.3KD磁材^[7]，取磁感应强度变化量ΔB=1800GS。

　　经过计算得到的实际ΔB值小于1800GS，最大占空比小于0.41，满足设计要求，且有一定余量。故可确定使用EI22磁芯^[7]，按照原副边匝数比19：6完成此款模块型开关电源的变压器设计。

3 电路板绕组设计

　　基于EI22磁芯的外形尺寸和原副边的匝数开展电路板绕组的设计。平面型EI磁芯的长、宽、高依次为21.8mm、15.8mm、9.2mm，窗口高度为4.2mm。考虑到8层电路板的标准厚度为1.6mm，故采用两块8层电路板并联摆放的设计。每块8层电路板包含事先计算好的原副边匝数，当采用两块电路板并联时，等同为绕组并联，用以增加导体截面积，装配截面如图1所示。

　　加工时断开拼版桥连部分，即可获得一个变压器的完整电路板绕组。整个设计中全部过孔设计采用贯穿孔，不设埋孔和盲孔。用于不同层绕组相互连接的贯穿孔副边绕组采用双孔设计，保证连接的可靠性，也加强了层间的同流能力。具体损耗计算可参见文献[8-9] 。

4 平面变压器加工工艺

　　变压器装配位置标注图如图2所示。其中原边绕组NP1匝数为19，绕组引出端为C和D，C为绕组起始端，D为结尾端;副边绕组NS1匝数为6，绕组引出端为G和H，G为绕组起始端，H为结尾端。

　　变压器生产加工步骤如下：

　　1)将电路板在桥连部位折断，变为成套的两块小电路板。用钳子剪掉板上残余的桥连部分;

　　2)将带有板号标识的电路板向上放置，操作时要看得见板号标识;

　　3)将另一块没有板号标识的电路板放在下面，此时两块电路板上的45度倒角要对齐;

　　4)将拼好的成对电路板插入变压器合板工装，在A、B两处的板缝点适量的黏合胶，将两块电路板粘在一起，尽量减小两板之间的空隙;

　　5)将固定后的电路板装入EI22磁芯，板号标识与I磁芯在同一侧，使用磁材粘合剂将E磁芯和I磁芯粘在一起，夹上夹子;

　　6)在电路板的C、D焊盘上测量电感量要求大于2 mH (测试条件为100kHz，1V);

　　7)烘烤，使磁材固定。要求在烘烤前后目测E磁芯与I磁芯是否对齐;

　　8)冷却后再次测量电感量;

　　9)在E磁芯上粘上双面胶;

　　10)进行抗电强度测试，测试参数如表1。

　　两块绕组电路板的倒角对齐，45°倒角为极性标识。加工完成的平面变压器实物如图3所示。

5 电源整机工艺

　　电源整体采用上下两块电路板的方式，分为铝基板和印制板两部分，两块电路板需要分别进行生产焊接，再拼装为整机，最后进行上下电路板的信号连接。

　　上层印制板为双面覆铜板，控制电路、反馈电路、保护电路等功耗小的元器件在印制板上。下层为铝基板，变压器、电感、开关管等大功率器件布放在铝基板上。印制板和铝基板之间的信号通路用针连接，铝基板四角铆装螺母用于安装散热器。

　　变压器进行安装定位之后，利用E磁芯下表面的导热双面胶与铝基板粘合固定在一起，再在如图2所示的C、D过孔焊盘插入直径为1.0mm的连接针，G、H过孔焊盘插入直径为2.0mm的连接针，并在焊盘上放置适量锡膏，同其它元器件一起过回流焊。

　　安装变压器时，要贴平、压紧，以减小热阻，保证能良好散热。铝基板进行回流焊时，应注意炉温和带速的控制，确保器件可靠焊接的同时，尽量避免焊接后在铝基板上锡珠和松香的过多出现。

6 设计与应用案例

　　根据上述的设计方法和步骤，将采用EI22磁芯的平面变压器用于双管正激电路拓扑的模块型开关电源中，实现单机150W功率、输入直流电压200~400V、输出直流电压24V的产品设计。该产品的整体外形尺寸的长、宽、高依次为86mm、72mm、12.7mm。

　　在输入直流电压为400V，额定输出工况时，持续工作两个小时后，整机中各个器件的温升到达稳定状态，产品的热成像如图4所示，测试环境温度在23.5℃情况下，整机中变压器温度最高为72.6℃;在输入直流电压为200V，额定输出工况时，持续工作两个小时后，整机中各个器件的温升到达稳定状态，产品热成像图如图5所示，测试环境温度在22.9℃情况下，整机中变压器温度最高为83.6℃。

7 结论

　　本文详细阐述了模块型开关电源中的平面变压器的设计、加工、应用的全过程。基于平面变压器本身的加工工艺复杂度角度，明确指出了平面变压器在各种常见电路拓扑中的适用性问题，并在双管正激电路拓扑机车上开展了平面变压器设计的参数计算，并给出具体实例参数计算过程。通过介绍平面变压器的电路板绕组设计方法和具体设计过程，展示了多层电路绕阻的铺设细节和拼版设计技巧。阐述了平面变压器加工和电源整机工艺设计，给出了变压器和电源整机的实际设计与应用案例，并对整机进行性能测试，验证了设计的可行性及合理性，为平面变压器的大批量自动化生产提供技术和应用参考。

　　参考文献：

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　　本文来源于《电子产品世界》2017年第8期第58页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。