解析變壓器繞制工藝

標簽：變壓器

變壓器 bian ya qi利用電磁感應的原理來(lái)改變交流電壓的裝置，主要構件是初級線(xiàn)圈、次級線(xiàn)圈和鐵心(磁芯)。在電器設備和無(wú)線(xiàn)電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗，安全隔離等。變壓器的最基本型式，包括兩組繞有導線(xiàn)之線(xiàn)圈，并且彼此以電感方式稱(chēng)合一起。當一交流電流(具有某一已知頻率)流于其中之一組線(xiàn)圈時(shí)，于另一組線(xiàn)圈中將感應出具有相同頻率之交流電壓，而感應的電壓大小取決于兩線(xiàn)圈耦合及磁交鏈之程度。一般指連接交流電源的線(xiàn)圈稱(chēng)之為「一次線(xiàn)圈」(Primary coil);而跨于此線(xiàn)圈的電壓稱(chēng)之為「一次電壓」。在二次線(xiàn)圈的感應電壓可能大于或小于一次電壓，是由一次線(xiàn)圈與二次線(xiàn)圈間的「匝數比」所決定的。因此，變壓器區分為升壓與降壓變壓器兩種。

要想把變壓器設計好，首先就需要選擇好變壓器，變壓器的選擇受到很多的因素制約，首先，需要計算好變壓器的Ap值，得到Ap值之后，我們就要根據電源的結構尺寸來(lái)初步選擇變壓器，包括變壓器的高度，寬度以及長(cháng)度。當電源的整體高度有限制時(shí)，就需要考慮扁平型的變壓器，臥式變壓器是首選。常見(jiàn)的有EE系列，EC系列，ER系列的臥式變壓器，EF系列與EFD系列變壓器;如果是超薄的適配器與LED日光燈內置電源，可以考慮平面變壓器。而如果PCB的空間有限，應該選擇PQ，RM，或者罐形磁芯，因為這些磁芯的截面積大，占用空間小，可以輸出更大的功率。

其次，在選擇變壓器的時(shí)候我們要根據電路的參數與側重點(diǎn)不同，而選擇不同的變壓器。

比如，在反激電源中，我們希望漏感越小越好，因為漏感大小會(huì )影響功率器件的電壓與電流應力，同時(shí)對EMC也有不可忽視的影響，那么我們就找對漏感控制有利的變壓器，再加上合理的繞法，可以將漏感控制在3%以下。

再次，在選擇變壓器的時(shí)候，要考慮到成本與通用性。成本不僅僅是每個(gè)企業(yè)老板關(guān)心的問(wèn)題，同樣是我們廣大研發(fā)工程師最糾結的問(wèn)題，除非是少數軍品級別或高檔不計成本的電源，我們在設計的時(shí)候要在性能參數與成本之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，不要刻意去追求某個(gè)參數而忽略帶來(lái)的成本影響，有時(shí)哪怕每個(gè)變壓器增加幾分錢(qián)的成本，如果批量起來(lái)，都是不可忽略的一筆開(kāi)支。

除非由于商業(yè)因素的考慮，希望自己的產(chǎn)品不被其它的廠(chǎng)商所抄襲，一般不考慮私?；蚱T(mén)的變壓器磁芯與骨架，因為量產(chǎn)的時(shí)候，供貨的渠道與周期都會(huì )受到很大的制約，而通用的磁芯，無(wú)論在價(jià)格上還是在供貨渠道與周期都有很大的可選擇性?？匆韵聢D片：

選擇變壓器的時(shí)候，還要考慮到為了符合安規標準，EMC性能。首先，要考慮變壓器骨架的繞線(xiàn)寬度，變壓器為了符合安規中的爬電就離要求，一般都要在繞組邊上加3mm的擋墻，那么這就縮小了變壓器骨架的可用繞線(xiàn)寬度;而如果不加擋墻的話(huà)，就需要使用三重絕緣線(xiàn)，而三重絕緣線(xiàn)的外徑一般比內部的銅線(xiàn)直徑大0.2mm，那么，同樣的窗口面積，繞線(xiàn)的匝數相當于減少了。

其次，要考慮變壓器骨架的槽深，有時(shí)為了EMC，需要在變壓器內部加入屏蔽層，有些用細線(xiàn)繞，有的用銅箔繞，這些繞組無(wú)疑會(huì )增加繞組的層數，也就是說(shuō)可用于繞制變壓器其他繞組的槽深就減少了。

選擇變壓器要考慮到繞組裝配工藝的影響

大部分的變壓器均有固定的鐵芯，其上繞有一次與二次的線(xiàn)圈?；阼F材的高導磁性，大部分磁通量局限在鐵芯里，因此，兩組線(xiàn)圈藉此可以獲得相當高程度之磁耦合。在一些變壓器中，線(xiàn)圈與鐵芯二者間緊密地結合，其一次與二次電壓的比值幾乎與二者之線(xiàn)圈匝數比相同。因此，變壓器之匝數比，一般可作為變壓器升壓或降壓的參考指標。由于此項升壓與降壓的功能，使得變壓器已成為現代化電力系統之一重要附屬物，提升輸電電壓使得長(cháng)途輸送電力更為經(jīng)濟，至于降壓變壓器，它使得電力運用方面更加多元化，可以這樣說(shuō)，沒(méi)有變壓器，現代工業(yè)實(shí)無(wú)法達到目前發(fā)展的現況。

很多的工程師在設計變壓器的時(shí)候，沒(méi)有考慮到裝配工藝，往往會(huì )出現這樣的情況：變壓器計算好之后，把參數發(fā)給變壓器廠(chǎng)做樣;然后，變壓器廠(chǎng)工程師打電話(huà)說(shuō)繞不下，磁芯太緊，不好裝配，不利于量產(chǎn);最后不得不修改變壓器參數;這樣無(wú)疑會(huì )延緩項目的進(jìn)度。所以在設計之初，我們就要考慮到變壓器磁芯窗口的誤差，以及繞線(xiàn)工藝、絕緣TAPE的厚度等因素。

變壓器的繞制方法與注意事項

普通分層繞法：

一般的單輸出電源，變壓器分為3個(gè)繞組，初級繞組Np,次級繞組Ns,輔助電源繞組Nb;當實(shí)用普通分層繞法時(shí)，繞制的順序是：Np--Ns--Nb，當然也有的是采用Nb--Ns--Np的繞法，但不常用。

此種繞法工藝簡(jiǎn)單，易于控制磁芯的各種參數，一致性較好，繞線(xiàn)成本低，適用于大批量的生產(chǎn)，但漏感稍大，故適用于對漏感不敏感的小功率場(chǎng)合，一般功率小于10W的電源中普遍實(shí)用這種繞法

三明治繞法

三明治繞法久負盛名，幾乎每個(gè)做電源的人都知道這種繞法，但真正對三明治繞法做過(guò)深入研究的人，應該不多。相信很多人都吃過(guò)三明治，就是兩層面包中間夾一層奶油。顧名思義，三明治繞法就是兩層夾一層的繞法。由于被夾在中間的繞組不同，三明治又分為兩種繞法：初級夾次級，次級夾初級。

如上圖，順序為Np/2,Ns,Np/2,Nb，此種繞法有量大優(yōu)點(diǎn)，由于增加了初次級的有效耦合面積，可以極大的減少變壓器的漏感，而減少漏感帶來(lái)的好處是顯而易見(jiàn)的：漏感引起的電壓尖峰會(huì )降低，這就使MOSFET的電壓應力降低，同時(shí)，由MOSFET與散熱片引起的共模干擾電流也可以降低，從而改善EMI。

第二種，次級夾初級的繞法(也叫次級平均繞法)

如上圖，順序為Ns/2,Np,Ns/2,Nb。當輸出是低壓大電流時(shí)，一般采用此種繞法，其優(yōu)點(diǎn)有二：

1、可以有效降低銅損引起的溫升：由于輸出是低壓大電流，故銅損對導線(xiàn)的長(cháng)度較為敏感，繞在內側的Ns/2可以有效較少繞線(xiàn)長(cháng)度，從而降低此Ns/2繞組的銅損及發(fā)熱。

2、可以減少初級耦合至變壓器磁芯高頻干擾。由于初級遠離磁芯，次級電壓低，故引起的高頻干擾小。

我們大家來(lái)進(jìn)一步深入討論下這個(gè)三明治繞發(fā)對EMI的影響。首先，我們來(lái)看初級夾次級的繞法，我們知道，變壓器的初級由于電壓較高，所以繞組較多，一般要超過(guò)2層，有時(shí)甚至達到4-5層，這就給變壓器帶來(lái)一個(gè)分布參數---層間電容。

上圖即為反激電源MOSFET的Vds波形

從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，三明治繞法是可以在一定程度上改善EMI。從另外一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，三明治繞法確實(shí)是增加了初次級的耦合面積，減少了漏感，同時(shí)又使初次級的耦合電容增加了;當開(kāi)關(guān)管反復開(kāi)關(guān)時(shí)，電容也會(huì )反復充放電，也就是說(shuō)會(huì )引起振蕩，此振蕩正比于開(kāi)關(guān)頻率，會(huì )對EMI產(chǎn)生不利的影響。

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