淺談脈沖驅動(dòng)變壓器

　　在開(kāi)關(guān)電源設計中，常常會(huì )用到驅動(dòng)變壓器來(lái)實(shí)現隔離、浮地、增大驅動(dòng)能力等目的，是電源中非常重要的一部分，如果設計不好直接決定整個(gè)項目的成敗，以及電源產(chǎn)品的品質(zhì)好壞。

　　1、采用驅動(dòng)變壓器的原因

　　在開(kāi)關(guān)電源設計中有較常用的電路拓撲：外驅BUCK、外驅BOOST、推挽、半橋、全橋、雙管反激、雙管正激等，這些電路拓撲中的開(kāi)關(guān)管需要浮地、或互補、或同頻同相同幅驅動(dòng)，在手頭只有較常規的單輸出PWM控制芯片，又不想再增加成本引進(jìn)新驅動(dòng)芯片的情況下，采用驅動(dòng)變壓器是最好的選擇，它不僅用作開(kāi)關(guān)電源半導件元器件的驅動(dòng)電脈沖(如功率MOSFET或IGBT)，還可用作電壓隔離和阻抗匹配。此外，在二次側同步整流管的驅動(dòng)電路也常常選擇使用驅動(dòng)變壓器來(lái)實(shí)現他激驅動(dòng)控制。其實(shí)大多數開(kāi)關(guān)電源加驅動(dòng)變壓器的最主要目的是為了隔離和實(shí)現浮地，上管跟下管不共地時(shí)，IC只能直接推動(dòng)下管，上管就必須隔離驅動(dòng)了。其實(shí)，現在也有很多專(zhuān)用的隔離驅動(dòng)IC，也可以獲得和驅動(dòng)變壓器相近的效果，但是這種集成的隔離驅動(dòng)IC有些明顯的缺陷，就是導通和關(guān)斷有很大的延遲、需要增加額外的驅動(dòng)電源、以及設計難度大。而驅動(dòng)變壓器則不同，這種變壓器耦合方式的優(yōu)點(diǎn)是延遲非常低，無(wú)需增加額外的驅動(dòng)電源，而且通過(guò)匝比設計，還可以在很高的壓差下工作。相比于專(zhuān)用的隔離驅動(dòng)IC，這種變壓器驅動(dòng)可設計的方式更多樣，可以隨時(shí)調整。

　　圖1 驅動(dòng)變壓器電路圖

　　2、磁芯的選擇

　　典型的脈沖驅動(dòng)變壓器一般多是用鐵氧體磁心設計制造的，這樣可以降低成本。高頻條件下鐵氧體具有很高電阻率，渦流損耗小，價(jià)格低，是高頻變壓器磁芯的首選，缺點(diǎn)是磁導率通常較低。常用磁心的外形大多數是EE、EER、ETD型。它們都是由“E”型磁心和相應的骨架組成。這些骨架可以采用表面安裝法或通孔安裝法裝配。在有些情況下，也采用環(huán)形磁心設計制作驅動(dòng)變壓器，這樣的優(yōu)點(diǎn)是漏感很小，但磁環(huán)的繞制工藝比較麻煩由于是采用小磁環(huán)，所以必須要人工繞制，成本會(huì )增加。所以不同應用者：有的看性能、有的看價(jià)格、有的看性?xún)r(jià)比，不同的使用者關(guān)注點(diǎn)不一樣。

　　3、驅動(dòng)變壓器的設計和關(guān)鍵參數分析

　　驅動(dòng)變壓器的計算可以參照正激的方式設計，初級匝數

　　在設計驅動(dòng)變壓器時(shí)，其關(guān)鍵電氣參數中的兩個(gè)參數(漏電感值和繞組電容量)是需要控制的。因為大的漏電感值和繞組電容量可能引起諸如相位漂移、時(shí)間誤差、噪聲和上沖等不合乎使用要求的輸出信號。理想情況下，驅動(dòng)變壓器是不儲存能量的。不過(guò)實(shí)際上驅動(dòng)變壓器還是儲存了少量能量在線(xiàn)圈和磁芯的氣隙形成的磁場(chǎng)區域，這種能量表現為漏感和磁化電感。盡管MOS管驅動(dòng)器變壓器的平均功率很小，但是在開(kāi)通和關(guān)閉的時(shí)候傳遞很高的電流，為了減少延遲，保證驅動(dòng)的穩定、安全可靠，也為了抑制高頻振蕩，保持低漏感仍然是必須的。對于驅動(dòng)變壓器繞組的電容量我們希望其值小于100pF。布板的時(shí)候盡量讓驅動(dòng)靠近開(kāi)關(guān)管，高頻電流回路面積盡量做小，控制電路盡量遠離高頻回路。

　　我們知道繞組越接近磁心表面漏感越小，繞組匝數越少，越容易作到這點(diǎn);另外磁心的電感系數越高、磁導率越高，導磁能力越好，漏感越小。所以大多驅動(dòng)變壓器、網(wǎng)絡(luò )變壓器都用高導材料來(lái)做。另外在一個(gè)變壓器中分布電容和漏感是兩個(gè)矛盾的參數，但是通過(guò)繞制方法可以折中處理。對于上升沿的時(shí)間和下降沿的時(shí)間，磁心材料尤其是繞制工藝是非常關(guān)鍵的。

　　圖2 驅動(dòng)變壓器的微等效電路圖

　　從圖2可以看出，負載等效轉換后是和勵磁電感并聯(lián)的，我們所希望的是能量都加在負載上，那么最好是要求勵磁電感無(wú)窮大最好，但是實(shí)際不可能的。驅動(dòng)變壓器這種本身功率并不是很大的情況，尤其要求勵磁電感要大些，不然勵磁電流大了，那么驅動(dòng)變壓器的效率就小了。驅動(dòng)變壓器、網(wǎng)絡(luò )變壓器等都屬于弱信號類(lèi)變壓器，傳輸功率小、信號弱，這類(lèi)變壓器和大家最熟悉的開(kāi)關(guān)電源功率類(lèi)變壓器差別較大，因此一定要區別對待。像這些弱信號變壓器更加關(guān)注的是變壓器波形的完整性，也就特別要關(guān)注微等效電路。相對開(kāi)關(guān)電源功率類(lèi)變壓器，信號變壓器更敏感，設計和工藝部分要求嚴格。

　　4、驅動(dòng)變壓器的繞制

　　驅動(dòng)變壓器主要作用是隔離驅動(dòng)，將波形傳遞給需要浮地驅動(dòng)的MOSFET，如果繞制工藝設計不好，會(huì )導致波形嚴重失真，造成很大的干擾，影響整個(gè)產(chǎn)品的效率與EMC。驅動(dòng)變壓器的電流并不大，一般對趨膚效應與臨近效應考慮得不多，主要考慮的是耦合效果，也就是說(shuō)對信號傳遞的不失真度和穩定性。繞組在弱耦合狀態(tài)下會(huì )產(chǎn)生漏電感。繞組的匝數較多以及在制造過(guò)程中繞組的線(xiàn)匝排列不均勻時(shí)都將產(chǎn)生大的繞組電容量。在變壓器的電氣參數設計階段和規范的制造過(guò)程中，可以保證漏感減至最小值。那接下來(lái)就以單端雙管正激的驅動(dòng)變壓器為例，來(lái)說(shuō)說(shuō)其繞制方法。

　　圖3 初級-次級繞法 圖4 次級包初級繞法

　　圖3這個(gè)是普通的初級-次級繞法。這樣的變壓器繞制工藝簡(jiǎn)單，繞組的用銅量少，成本低廉。但是缺點(diǎn)也明顯，當用于傳輸的波形頻率較高時(shí)，特別是大功率電源的驅動(dòng)時(shí)，容易產(chǎn)生失真，上升沿與下降沿時(shí)間變長(cháng)，且有明顯的振蕩。針對這樣的情況，推薦使用次級包初級，初級包次級，三明治繞法等幾種繞制方法來(lái)改進(jìn)，如圖4、圖5和圖6所示。

　　圖5 初級包次級繞法 圖6 三明治繞法

　　如果要采用磁環(huán)繞制，能在一層內繞完初次級的所有線(xiàn)圈是最好的，而且初次級圈數相等是漏感最小的，如果初次級圈數不等，也要讓初次級都能均勻分布在整個(gè)窗口上。也就是說(shuō)初級或者次級緊密排繞一層繞不滿(mǎn)整個(gè)窗口，就要均勻分開(kāi)繞，讓初級和次級整個(gè)繞組剛好能排滿(mǎn)整個(gè)窗口。實(shí)際不一定非要只繞一層，只要均勻排滿(mǎn)整個(gè)窗口，就算初次級各占一層，漏感也不會(huì )太大，一般驅動(dòng)也夠用了，除非對驅動(dòng)速度要求極高。