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漏感与分布电容

漏磁通:

耦合电感或变压器中,由一次绕组产生,且不能匝链到二次绕组的部分磁通。(如上图)

漏感:

不能耦合到二次侧的电感,分布在变压器的整个线圈中,跟绕组是串联关系,因能量不能向二次侧释放,所以在开关管关断时刻会产生较大电压尖峰。

漏感的真实值:

对反激变压器工作过程有影响的漏感,不仅仅包含初级不能耦合到次级的电感,还包含变压器二次绕组的漏感通过匝比折算到初级的漏感,以及布线所产生的电感,通过匝比折算到初级的电感

在输出低电压大电流的电源中,次级折算过来的电感可能比一次电感还要大,这将大大降低电源的整体效率。

真实漏感的测量:

将待测变压器焊接到没有装元器件的实际PCB上,将初级绕组开路,并将所有二次绕组的整流二极管以及滤波电容短路,然后测量初级绕组的电感,得到的值就是漏感的真实值。

数学估算真实漏感:

根据经验,在1oz的FR-4的PCB上,每英寸的布线电感约为20nH。

在估算时,必须要将高频电流流过的通路进行合理的等效,最后得到的电感要按照匝比的平方折算到初级。

漏感电路的影响:

如下图,漏感将使电路波形产生振荡,增加MOSFET的电压应力与发热,使电源的整体EMI性能变差。

解决措施:

增加Snubber电路,钳位峰值电压,并将部分的损耗转移。

优化变压器的绕制工艺,调整PCB Layout,达到漏感最小化的目的。

选用窗口面积宽的磁芯骨架。

变压器分布电容的危害:

A:可能使变压器谐振(主要是LC振荡)

B:在方波驱动的变压器中,会产生很大的一次电流尖峰

C:可能与其他的电路产生静电耦合,影响EMI

分布电容的种类

匝间电容:绕组匝与匝之间的等效电容

层间电容:绕组层与层之间的等效电容

绕组间电容:各绕组之间的等效电容

杂散电容:绕组与磁芯,外部散热片,PCB之间的等效电容可用一个等效参数Cp来表示总的分布电容,变压器浸凡立水之后,或电源整体灌胶之后,此参数将发生改变。

匝间电容

如左下图,匝间电容在高压输出时,可能改变绕组间的绝缘强度,特别在单槽骨架中,严重时会引起匝间击穿短路

改进方法如右边的图纸,一般采用多槽的骨架进行分段绕制,减少匝间电容的影响

层间电容

层间电容占变压器总分布电容的比例相当大,是引起电路中电压振荡与电流尖峰的元凶

一般采用优选变压器磁芯骨架,改善变压器绕制方法,如Z形绕法,U形绕法,累进式绕法等,来降低分布电容对电路中电压与电流的影响

绕组与绕组间的电容

绕组间电容是共模信号耦合的重要通路;一般采用增加绝缘厚度,增加法拉第屏蔽层等方法来减少绕组间电容

杂散电容

是将开关噪音与共模干扰信号耦合到其他电路中的通道;一般采用接地或增加屏蔽,将干扰接地等措施来改善

气隙的作用与选取

开气隙的目的与作用:

气隙能使磁芯的等效磁路长度增加,减少剩余磁感应强调。

气隙虽不能对磁通的直流成分进行完全的修正,但是能使磁通的直流成份基本维持不变,因气隙增加了磁路中的磁阻,在磁动势一定时,可以控制磁芯的磁通密度,从而平衡直流成分的影响。

气隙为何储存变压器的大部分能量?

简单讲就是气隙的磁阻比磁芯大得多,导致大部分的磁动势都降落在气隙上,气隙跟磁通密度成反比。

注意:

气隙处的填充材料必须为逆磁性的材料,否则可能会造成气隙短路现象,达不到开气隙的本来目的;而且需要保持结构上的平衡,以使边沿磁通噪声最小化。

气隙处的散磁

由于边缘磁通的存在,部分散磁会被靠近变压器的元器件拾取,从而干扰其他器件的工作;解决方法就是在气隙处外包一层屏蔽层,如下图。

边缘磁通

磁力线在气隙处由于失去了磁芯的约束,在气隙的周围,部分磁力线以高损失的路径重新进入磁芯,这就引起了磁芯在气隙处的发热问题

开气隙的方法:

磨气隙:加工简单,量产一致性好;中柱处由于边缘磁通影响易发热。

垫气隙:工艺复杂,不易控制一致性,易散磁;磁通分布均匀

变压器的绕制技术

三明治绕法的是与非

三明治绕法的好处主要是增加初次级的耦合面积,降低漏感,从而可以降低MOSFET关断时的漏感尖峰电压,降低MOSFET的电压应力,在低压输出时可以提升效率。

但在增加耦合面积的同时,使绕组间的分布电容加大,而绕组间电容是共模干扰信号主要的传递路径,故三明治绕法会使EMI性能变差。

采用初级包次级还是次级包初级的绕法,主要是从EMI(du/dt)与散热(大电流流过绕组)两个方面来考虑的。

疏绕跟密绕:

疏绕(匀绕)

绕组均匀分布在变压器窗口中;绕组的匝间电容影响小,跟其他的绕组耦合程度高,漏感小,有利于输出电压的稳定性。但绕制工艺不好控制。

密绕

绕组紧密的绕制在变压器的中间或两边;绕制工艺简单,有利于后续绕组的平整度控制。但匝间电容与漏感稍大,在输出电压较低,电流小的场合对输出电压有一定影响。

单层圈数的计算:

在计算单层圈数时,是通过骨架宽度除以漆包线的外径,得到的值需要将小数点以后的数值舍去,并需要减去一圈作为进出线的余量。

例:EFD30的幅宽是20mm,假如初级线径是0.5mm(外径则为0.55mm),那么可以绕制最多的圈数是20mm/0.55mm-1=35.36取整之后为35T

●注意:

在进线与出线的边沿,特别是多股线同时绕制时,由于漆包线的折弯,造成占用的空间比正常绕组一圈时大。

尽量绕满整数层

在计算好变压器匝数与线径直之后,接下来需要根据骨架宽度与深度验算是否能容纳下所有的绕组,此时需要考虑漆包线的外径,挡墙宽度,绝缘胶带厚度,折线厚度等因素。

当发现绕组不是整数层时,就需要调整匝数或线径以满足单个绕组为整数层的要求,因为小数层绕组(特别处在最里层时)容易造成后续的绕组不平整,从而影响绕线的分布参数与绝缘强度。

绕组的绝缘

当绕完一个绕组之后,绕组需要将线折回到进线端的骨架定位脚时,需要先包1-2层胶带进行绝缘,然后才将线折过来。

且线尽量以90度左右的角度折弯,以尽量满足对匝数精度的要求。

绕线为了满足安规对绝缘的要求,一般加挡墙或使用三重绝缘线,且各绕组之间加高强度的绝缘胶带。

安规与EMI的考虑

关于安规标准

一般用途的Adapter:

IEC/EN61558-2-6

一般用途的Charger:

IEC/EN60335-2-29

IT类专用的Adapter:

IEC/EN60590

音响视讯类专用的Adapter:

IEC/EN60065

医疗仪器类专用的Adapter:

IEC/EN60601

量测仪器类专用的Adapter:

IEC/EN61010

关于安规的一些要求

如果次级绕组不能跟铁芯保持安规的距离要求时,那么铁芯就被当成次级元件,必须跟初级保持足够的安规距离。

注意:

IEC/EN60335-2-29的初、级侧绕组跟铁芯的爬电距离是4.0mm,初次级元件之间的距离是8.0mm

BOBBIN厚度的要求:

IEC/EN61558-2-6与IEC/EN60335-2-29规定要大于1.0mm,其余的为0.4mm

变压器是怎样影响EMI的?

变压器的分布电容,是引起初级到次级的共模与差模干扰的根本原因

变压器的EMI处理

从原理上来说,最有利于EMI的绕法是减少初次级之间的耦合电容,也就是说要加大初次级之间的距离,但这又会增大漏感,反而会增大电路损耗与EMI强度,所以需要综合考虑。

一般常见的方法是在初次级之间增加一个Y电容,将返回地线的共模电流直接短路到初级地线,减少通过地线返回的电流。

还有一种方法是在初次级绕组之间加入法拉第屏蔽层(静电屏蔽),将初次级之间的共模信号直接短路到初级地,有加铜箔(0.9T或1.1T)与加绕组(绕组的感应电压与被屏蔽绕组电压相反)两种方法。

对于辐射一般是在变压器最外层加入一个短路的屏蔽铜箔,将辐射的电磁能量以涡流的形式消耗掉,且涡流的磁场方向跟原变压器的干扰磁场相互抵消。

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第一部分:开关电源BUCK部分(30小时)
一是基于PTS5430芯片的Buck电路;
二是基于分立器件去搭Buck电路;
三基于LNK306芯片的BUCK电路。
第二部分:BOOST部分(10小时)
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第三部分:功率因素校正(PFC)部分(20小时)
基于NCP1654芯片的PFC部分
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