1、    高頻開關電源變壓器的設計及應用    劉斌摘要：現(xiàn)如今，我國的國民經(jīng)濟在快速的發(fā)展，社會在不斷的進步，主要研究基于反激開關電源技術，及其開關電源在音頻 放大器中的應用。研究的目了解開關電源工作原理，分析與熟悉電路結構，應用其高效率、穩(wěn)定性、可靠性、體積小、成本 低等優(yōu)點，開發(fā)設計符合公司和市場需求的產(chǎn)品，擬解決傳統(tǒng)工頻變壓器，效率低、穩(wěn)定差、體積重，成本高等問題。為一 些初學者提供產(chǎn)品設計的幫助和參考，因此具有重大的意義。目前開關電源已經(jīng)完成設計，并成功應用于功放產(chǎn)品中，為設計 功放提高產(chǎn)品市場競爭優(yōu)勢具有重要的作用。關鍵詞：高頻；開關電源；變壓

2、器；損耗；優(yōu)化設計：tn713 ：a ：2095-3178（2018）06-0206-01引言隨著電源系統(tǒng)的發(fā)展，電源的體積變得越來越小，頻率變得越來越高，功率變得越來越大。但是，傳統(tǒng)的磁芯材料的局限性，限 制了高變壓器頻率的提高。在開關電源設計中，為了減小開關電源 的體積，需要提高電源的開關頻率。對于變壓器而言，也是一樣的。 因此，合理選擇變壓器的結構和設計方案變得至關重要。文章針對 變壓器的常用設計方法，給出了變壓器頻率的選擇、結構的選擇、 磁芯的材料選擇過程，并且給出了相應的計算過程。1 高頻開關電源理論基礎1.1開關電源工作原理開關電源的基本原理方框圖如圖 1，通過高頻開關技術將輸入較

3、高的交流電壓（ac）如 220v，轉化成電子或電器設備工作所需要 的直流電壓（dc）如 5v，12v，24v。用提高工作頻率等手段提高電 源功率密度，進而達到減少變壓器的體積和重量的目的。采用開關 變化的優(yōu)勢大大提高電能的轉化效率。典型開關電源效率為 70% 90%，依賴對脈沖寬度的改變來實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，稱作脈寬調制 pwm。1.2高頻開關電源高頻開關電源（switchingmodepowersupply，smps）是一種高頻電能轉換裝置，可以將一個位準電壓通過不同的方式轉換為期望 的電壓或電流。其核心原理是通過 mosfet 或 igbt 等電子元器件的 高頻狀態(tài)切換來實現(xiàn)電能的調節(jié)。高

4、頻開關電源的結構各不相同， 但從原理上看都是由主電路、控制電路、檢測電路和輔助電源 4 部 分構成的。1.3串聯(lián)諧振電路高頻開關電源的開關方式有硬開關和軟開關兩種。其中前者多采用 pwm 控制方式，由于頻繁的通斷會產(chǎn)生額外的開關損耗，并且 損耗值與開關頻率成正比，另外還會產(chǎn)生分布電感和寄生電容等附 加損耗，嚴重限制了開關頻率的進一步提高。軟開關利用諧振原理 使電源在通斷切換過程中并不承受電壓，因此大大減小了不必要的 耗損。2 高頻開關電源變壓器的設計2.1磁芯損耗分析高頻變壓器所采用的磁芯材料必須具備低損耗、穩(wěn)定性好、溫度特性優(yōu)良、飽和磁感應強度高等特性，業(yè)內最常見的磁芯材料包 括軟磁鐵氧體、

5、坡莫合金和非晶態(tài)合金 3 種，其中應用最廣的當數(shù) 錳鋅鐵氧體。該種材料具有較高的磁導率和居里溫度、溫度特性穩(wěn) 定且具有明顯的負溫度特性，可以較好地解決高頻變壓器的容量、 損耗、體積、重量、散熱等一系列問題。2.2繞組損耗分析高頻變壓器的繞組損耗主要取決于繞組的直流電阻、電流有效值和交流電阻系數(shù) 3 個參數(shù)。一般來說，繞組的交流電阻比直流電 阻要高，這是因為繞組中存在一定的集膚效應和鄰近效應。因此，交流電阻系數(shù)又成為繞組損耗分析的重中之重。 2.3線圈的繞制與絕緣漏感是影響變壓器性能的重要參數(shù)。線圈的繞制方法會影響變 壓器的漏感。在繞制變壓器時，初次級繞組需要緊密耦合在一起， 從而使得變壓器的漏

6、感減小。漏感過大，會在變壓器產(chǎn)生尖峰電壓， 使開關管被擊穿，從而不能正常工作。常用的變壓器繞法有：（1） 將初級、次級繞組合起來的雙線繞法。這種方式可以使初級、次級 繞組之間的距離達到最小，因此漏感最小，但繞制比較麻煩；（2） 將奇數(shù)層、偶數(shù)層分層繞制。這種方式繞制較（1）容易，但是增大 耦合電容；（3）將次級繞組夾在初級繞組之間，稱為夾層式繞制。 這種繞制方法工藝簡單，容易繞制。在低壓大電流情況下，此方法 可以減少導線的銅損。此外，初級線圈離鐵芯遠，高頻干擾較小。3 開關電源在應用中故障檢修與方法下面在和大家談一下，開關電源電路常表現(xiàn)的 2 種故障表現(xiàn)；（1）變壓器次級負載供電電壓為 0v，

7、變壓器上電后無反應，測試 控制端子 24v 和 10v 電壓為 0v，檢查開關電源輸入的 530v 電壓正 常，可判斷為電源故障，檢修步驟如下：先用電阻測量法測量開關管 q1有沒有擊穿、短路故障，電流取樣r11有無開路，電路易損元 件為開關管，當它損壞后 r11 因受到?jīng)_擊而阻值變大或者斷路。q1 的g 極串聯(lián)電阻，震蕩芯片ic1 往往受沖擊而損壞，必須同時更換；檢查負載回路有無短路現(xiàn)象。然后更換損壞元件，或未檢測到短路元件，可進行上電檢查，進一步判斷故障是出在震蕩回路還穩(wěn)壓回路。檢測的方法；先檢測啟動電阻 r12 有無斷路，正常后，用 16v 直流接入 uc3844 的 7 腳，為震蕩單獨供

8、電，測量 8 腳應該有 5v 電 壓輸出，6 腳有幾伏左右電壓輸出，說明震蕩回路基本正常，故障 在穩(wěn)壓回路，若測量 8 腳有 5v 電壓輸出，但 6 腳電壓為 0v，查 8 腳外接元件，6 腳外圍元件。如果測量 8，6 腳電壓都為 0v，uc3844 芯片已經(jīng)損壞，需要更換。（2）開關電源出現(xiàn)間歇震蕩，能聽到“打嗝”或者“吱吱”聲，指示燈時亮時滅，這是因為負載電路異常，導致電源過載，引發(fā)過流保護電路動作。負載電流異常上升，引起 一次繞組激磁電流大幅度上升，在電流采樣電阻r11 形成 1v以上的電壓信號，使芯片內部電流檢測電路啟控，電路停震，r11 上過流信號消失，電路又重新啟震，如此循環(huán)往復，出現(xiàn)間歇震蕩。檢測方法；測量供電電路 c8，c26 兩端電阻值，如有短路直通現(xiàn)象，可能為整流二極管 d6有短路，觀察c8，c26 外觀有無鼓包，噴液等現(xiàn)象，必要時拆下測量。供電電路無異常，可能為負載電路有短路故 障。結語針對高壓可調電源領域中線性電源的缺點，提出一種新型高壓可調高頻開關電源設計方案。給出高頻變壓器的設計過程，提出一 種改進型半橋拓撲結構；通過對半橋變換器進行線性建模，提出一種 控制電路的設計方法，并提出一種多段分程控制方式。所設計的仿 真電路與試驗樣機的啟動響應波形基本一致，有效驗證了該設計方 案的可行性。此種高壓可調高頻開關電源具有體積小、穩(wěn)定性好、