1 引言
因?yàn)殡娮釉O(shè)備的電路變得更為復(fù)雜，故要求成熟的電氣工程設(shè)計(jì)參數(shù)具有更加臨界的數(shù)值。在設(shè)計(jì)電路的每一個(gè)階段，精確的工程計(jì)算是基本的要求。同時(shí)，在其零部件設(shè)計(jì)時(shí)，這一點(diǎn)也是同樣重要的。所以，必須精心地設(shè)計(jì)開關(guān)電源（SMPS）中門脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器的每一個(gè)零部件。
門脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器在開關(guān)電源中被要求用來控制電路之間的同步動(dòng)作。這些器件用來為開頭電源半導(dǎo)件元器件如高壓功率MOSFETs或IGBTs提供電脈沖。這種變壓器也用作電壓隔離和阻抗匹配。門脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器是用來驅(qū)動(dòng)電子開關(guān)器件門電路的基本脈沖變壓器。設(shè)計(jì)這類變壓器時(shí)，是假定其脈沖的上升、下降和上沖時(shí)間都是最佳的值。使用中要辨別它們是門脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器還是其它變壓器。
在基礎(chǔ)門脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器設(shè)計(jì)中，存在一系列設(shè)計(jì)變數(shù)，其中的每個(gè)變數(shù)由其專項(xiàng)應(yīng)用決定。它們的一些通用簡圖及其相應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖1所示。
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在基礎(chǔ)門脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器設(shè)計(jì)中，存在一系列設(shè)計(jì)變數(shù)，其中的每個(gè)變數(shù)由其專項(xiàng)應(yīng)用決定。它們的一些通用簡圖及其相應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖1所示。
典型的門脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器是用鐵氧體磁心設(shè)計(jì)制造的，這樣可以降低成本。常用磁心的外形大多數(shù)是EE、EER、ETD型。它們都是由“E”型磁心和相應(yīng)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(shè)計(jì)制作門脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器。典型的脈沖變壓器設(shè)計(jì)所要求的參數(shù)列于表1。
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如果有安全標(biāo)準(zhǔn)（如UL、VDE、CUL、IEC或TUV）的要求，那么，在變壓器設(shè)計(jì)中必定會(huì)涉及可靠的漏電流及其清除方法問題。對(duì)于漏電流及其清除方法要求的文件資料，必須從安全工作辦事處取得。
如果設(shè)計(jì)的變壓器是為軍事目的所應(yīng)用，那么，選用的制作材料可不必依從RoHS指令，磁性器件設(shè)計(jì)工程師需要了解RoHS指令，因?yàn)镽oHS指令限制若干種材料在變壓器設(shè)計(jì)制造中被采用，這將影響變壓器的一些重要性能。
2 磁心用材料的選擇
設(shè)計(jì)門脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器的第一步是選擇決定磁心用材料。磁心用材料的選擇取決于開關(guān)電源的工作頻率。表2列出了由一些磁性材料銷售商推薦的三種不同頻率范圍使用的鐵氧體材料。開關(guān)電源（SMPS）的工作頻率將決定門脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器初級(jí)要求的電感量總值。
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3 將寄生參數(shù)減至最小
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在設(shè)計(jì)門脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器時(shí)，其關(guān)鍵電氣參數(shù)中的兩個(gè)參數(shù)漏電感值和繞組電容量是需要控制的。因?yàn)榇蟮穆╇姼兄岛屠@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(hào)。繞組在弱耦合狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生漏電感。繞組的匝數(shù)較多以及在制造過程中繞組的線匝排列不均勻時(shí)都將產(chǎn)生大的繞組電容量。
在變壓器的電氣參數(shù)設(shè)計(jì)階段和規(guī)范的制造過程中，可以保證漏電感減至最小值。有許多公式可以用來為實(shí)際的變壓器設(shè)計(jì)計(jì)算其所希望的漏電感近似值。
在變壓器的磁路設(shè)計(jì)中，用來估算漏電感值的公式之一表述如下：
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式中，I L=兩個(gè)繞組之間的漏電感值（單位，亨）；N=繞組的匝數(shù)；MT=整體磁心平均周長（單位，吋）；n=繞組之間介質(zhì)（絕緣）層的數(shù)量；c=介質(zhì)（絕緣）層的厚度（單位，吋）；b=繞組的橫向尺寸（單位，吋）。
在變壓器的設(shè)計(jì)制造中，無論如何要避免繞組存在半匝的情況。因?yàn)榘朐牙@組是不耦合的線匝，因此其漏電感值很高。繞組的電容量應(yīng)保持在“微微法拉”的范圍之內(nèi)（希望其值小于100PF）。
在制造門脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器時(shí)，其漏感值可以在生產(chǎn)過程中用適當(dāng)?shù)木砝@方法進(jìn)行限制。圖2示出的繞組的技術(shù)要求，在圖的中心部位示出了卷繞繞組的方法。繞組的規(guī)范生產(chǎn)布置情況由圖1C所示。圖中標(biāo)志出了兩端點(diǎn)（起始點(diǎn)1和結(jié)束點(diǎn)6）的引出導(dǎo)線都在初級(jí)一側(cè)。
繞組由中心向兩端繞制的方法可以增加線匝間的感應(yīng)耦合強(qiáng)度。怎樣繞制這種零件的一步步操作工藝過程表述如下：
用紅色和綠色兩根導(dǎo)線（起始點(diǎn)“2”和“3”）雙線卷繞10匝。
接著增加一根原來的導(dǎo)線成三股線，持三根導(dǎo)線（這一步以起始點(diǎn)“1”標(biāo)志）加繞20匝，在總匝數(shù)達(dá)到30匝時(shí)停止原來的導(dǎo)線卷繞。這一步由端點(diǎn)的結(jié)束點(diǎn)“6”反映出來。
再用紅色和綠色導(dǎo)線一起構(gòu)成雙線繞制10匝，致使用這些導(dǎo)線卷繞的總匝數(shù)為40匝。這一步以端點(diǎn)的結(jié)束點(diǎn)“4”和“5”為標(biāo)志。
現(xiàn)在，為設(shè)計(jì)和繞制門脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器提供了基本信息，可以用圖1作為設(shè)計(jì)實(shí)例的參考來完成變壓器的設(shè)計(jì)。變壓器的電感值范圍應(yīng)維持在50μH到500μH之間，見表3所列。關(guān)于該變壓器的性能參數(shù)要求請見表4。
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如上所述，設(shè)計(jì)門脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器的第一步是決定什么磁性材料做磁心以及確定磁心的尺寸。在實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，最適合做磁心的材料是3F3鐵氧體或者是具有其等效性能的其它磁性材料，表2所列是由Ferroxcube公司提供的變壓器磁心用材料。
因?yàn)楸碇兴谐龅墓β孰娖叫∮?W，故選擇3F3鐵氧體材料制作成E5.3/2.7/2型磁心。表中所列磁心的AL值（每千匝的電感率單位，微亨）是265±25%（199~331微亨）。磁心的截面積為0.0265cm2。
變壓器繞組的匝數(shù)用下列公式計(jì)算：
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式中，B=磁通量密度（單位，高斯（G））；Acore=磁心的截面積（cm2）；ET=伏一秒常數(shù)（V-μs）。
ET可用來檢測變壓器或電感器的能量處理能力，并且它取決于磁心的截面積、磁心所用材料、繞組匝數(shù)和所用脈沖的占空因數(shù)。
在本設(shè)計(jì)中將采用2000高斯等級(jí)的磁通密度。在這樣的磁通密度等級(jí)上，不會(huì)存在磁心產(chǎn)生飽和的危險(xiǎn)性，因?yàn)橛蒄erroxcube公司提供的3F3磁性材料的Bsat值是4000高斯（G）；又因?yàn)椴捎玫氖荅型磁心，裝配時(shí)在其粗糙的表面上將存在微小的氣隙，也可防止磁心進(jìn)入飽和狀態(tài)。
4 確定繞組匝數(shù)
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因?yàn)樗械脑O(shè)計(jì)參數(shù)已知，變壓器初級(jí)繞組的匝數(shù)可以用以下公式計(jì)算：
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式中，B=2000高斯（G）；Acore=0.0265cm2（磁心截面積）；ET=10.5V-μs。
初級(jí)繞組為20匝，次級(jí)繞組在40匝時(shí)即滿足1∶2∶2的匝比。
5 決定導(dǎo)線規(guī)格
為了使初級(jí)繞組的電感值減至最小，輸入電流將采用50μH的電感值進(jìn)行計(jì)算，見表3所列。
輸入電流計(jì)算式如下：
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初級(jí)繞組用導(dǎo)線尺寸由下式計(jì)算：
Awire=（圓周密爾/安培）（Iin）（DT）
式中，Awire=導(dǎo)線截面積（單位，圓周密爾）；Iin=輸入電流（A）；DT=占空因數(shù)。
以500圓周密爾/安培代入式中，電流為255mA和占空因數(shù)為50%時(shí)，得到63.75圓周密爾的導(dǎo)線截面積，由#32導(dǎo)線尺寸提供裕度。初級(jí)繞組將采用#32H導(dǎo)線[MW80C(155°)]，使用MW80C是經(jīng)過精選的，因?yàn)樗軡M足130℃的極限溫度要求。同時(shí)，它是用焊接的方法拆卸，是最方便的。
次級(jí)繞組采用什么樣的導(dǎo)線尺寸，取決于每個(gè)繞組中3mA的電流等級(jí)。每個(gè)繞組用圓周密爾為單位計(jì)算是1.5，因此#48H導(dǎo)線將被用于每個(gè)次級(jí)繞組。
6 完成設(shè)計(jì)
因?yàn)閷?dǎo)線尺寸已經(jīng)算出，以后的任務(wù)是要求保證所有使用的材料適合封裝的條件。為把鐵氧體磁心膠合在一起，必須選擇適合的粘結(jié)劑
初級(jí)開路時(shí)的電感值用以下公式檢驗(yàn)：
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在磁心的A L值存在著±25%公差時(shí)，最小的電感值是75 μ H， 這個(gè)電感值是相對(duì)較小的， 但它已能夠滿足設(shè)計(jì)參數(shù)要求。最小的電感值必須滿足50 μH。匝數(shù)的增加將增大電感值，這時(shí)需要折衷處理電容值。所以，2 0匝的規(guī)定是必須保證的。
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最后，要按客戶的要求進(jìn)行產(chǎn)品包裝。
完成變壓器設(shè)計(jì)所需要的材料清單見表5所列。
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