高頻開關電源變壓器的設計及應用

劉斌

摘要：現如今，我國的國民經濟在快速的發展，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、穩定性、可靠性、體積小、成本 低等優點，開發設計符合公司和市場需求的產品，擬解決傳統工頻變壓器，效率低、穩定差、體積重，成本高等問題。為一 些初學者提供產品設計的幫助和參考，因此具有重大的意義。目前開關電源已經完成設計，并成功應用于功放產品中，為設計 功放提高產品市場競爭優勢具有重要的作用。

關鍵詞：高頻；開關電源；變壓器；損耗；優化設計

中圖分類號：TN713 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3178（2018）06-0206-01

引言

隨著電源系統的發展，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輸出電壓的穩定，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 高頻狀態切換來實現電能的調節。高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、穩定性好、溫

度特性優良、飽和磁感應強度高等特性，業內最常見的磁芯材料包 括軟磁鐵氧體、坡莫合金和非晶態合金 3 種，其中應用最廣的當數 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 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 3 個參數。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。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感減小。漏感過大，會在變壓器產生尖峰電壓， 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） 將奇數層、偶數層分層繞制。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的 2 種故障表現；

（1）變壓器次級負載供電電壓為 0V，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 因受到沖擊而阻值變大或者斷路。Q1 的G 極串聯電阻，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 芯片已經損壞，需要更換。（2）開關電源出現間歇震蕩，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，如此循環往復，出現間歇震蕩。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、穩定性好、 效率高、成本低、安全性高等優點，有效彌補了傳統線性電源的缺 點，具有廣闊的市場應用前景。

參考文獻

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