模块电源中平面变压器的设计与应用---转载电子产品世界

发布时间:

2022/05/28 10:06


         ,. 2. 3.广东东菱电源科技有限公司(北京 100080)

         引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201707/362277.htm

                 (1979-)、男、硕士、高级工程师、研究方向:电力电子设备及部件应用相关技术;、男、硕士、副研究员、研究方向:特殊施工技术应用及监测监测技术开发;洁、女、工程师、研究方向:新能源设备电气设计。

         摘要:基于变压器在开关电源中的工作原理和平面变压器本身的特点,全面研究了模块开关电源中平面变压器的设计、加工、工艺和应用。明确指出了平面变压器在各种常见电路拓扑中的适用性,并给出了平面变压器设计的参数计算过程和具体的参数计算实例。介绍了电路板绕组设计、平面变压器组装和电源机工艺设计,给出了平面变压器和电源机的实际设计和应用案例,测试了机器的性能,验证了设计的可行性和合理性。

         引言

                 模块化开关电源广泛应用于工业、航空航天、计算机硬件、电信等领域,其核心部件之一是高频变压器。在实际应用中,开关电源的小型化和轻量化一直是技术发展的趋势,高频变压器在开关电源的小型化过程中起着关键作用[1~2]。随着磁性材料的改进和功率半导体设备工作频率的提高,可以降低高频变压器的重量和尺寸。

                 平面变压器在提高模块开关电源的特性方面具有很大的优势,近年来得到了广泛的应用。平面变压器采用铁氧芯和多层电路板绕组,高度低、体积小、效率高、电磁干扰小、产品一致性好,适用于自动表面安装,特别适用于空间或高度限制、节能散热要求严格的模块电源产品,应用前景广阔[3~4]。

         1 电路拓扑适用性

                 在高频隔离变压器中,平面变压器的电路板绕组设计和加工工艺简单,磁芯不需要打开间隙,特别适合大规模自动化生产。对于桥式电路拓扑,变压器的设计和加工工艺相对复杂。

         计算2 变压器参数

                 变压器参数计算步骤如下:

                 1)根据开关电源性能参数选择合适的电路拓扑;

                 2)磁芯体积选择计算;

                 3)确定磁芯型号及其相关参数;

                 4)确定变压器匝比;

                 5)计算原边匝数;

                 6)根据匝比和原匝数确定副匝数;

                 7)反推实际最大空比;

                 8)反推实际ΔB。

                 以150W输入直流电压200功率~400V、输出直流电压24V模块开关电源的例子。AP方法[5-6]确定核心尺寸,考虑双管正激电路拓扑的特点和类似产品的设计调试经验,取开关频率fs=300kHz,对应开关周期T=3.3μs,并设置最大空比δmax=0.四十一、宜宾金川RM2.3KD磁性材料[7]ΔB=1800GS。

                 计算后获得的实际情况ΔB值小于1800GS,最大比例小于0.41.满足设计要求,有一定的余量。因此,可以确定使用EI模块开关电源的变压器设计按原副边坡比19:6完成。

         3 电路板绕组设计设计设计

         

                 基于EI电路板绕组设计为22个磁芯的形状尺寸和原副边的匝数。EI磁芯的长、宽、高依次为21.8mm、15.8mm、9.2mm,窗口高度为4.2mm。考虑到8层电路板的标准厚度为1.6mm,因此,两个8层电路板并联放置。每个8层电路板包含预先计算的原辅边坡数。当两个电路板并联时,相当于绕组并联,以增加导体的横截面积。装配部分如图1所示。

         

                 断开拼接桥的连接部分,获得变压器的完整电路板绕组。在整个设计中,所有的过孔设计都是通过穿孔设计的,没有埋孔和盲孔。不同层绕组的穿孔副绕组采用双孔设计,保证了连接的可靠性,增强了层间的同流能力。详见[8-9] 。

         

         4 平面变压器加工工艺

                 变压器装配位置标记图如图2所示。NP1匝数为19,绕组引出端为19C和D,C绕组起始端,D结束;副边绕组NS1匝数为6,绕组引出端为6G和H,G绕组起始端,H为结尾端。

         

                 变压器的生产加工步骤如下:

                 1)将桥连部分的电路板折断成两个小电路板。用钳子切断板上剩余的桥连部分;

                 2)将带有板号标志的电路板向上放置,操作时应看到板号标志;

                 3)将另一块没有板号标志的电路板放在下面,此时两块电路板上的45度倒角应对齐;

                 4)将成对电路板插入变压器合板工装中A、B将两块电路板粘在一起,尽量减少两板之间的间隙;

                 5)安装固定电路板EI22磁芯、板号标识和I磁芯在同一侧,使用磁粘合剂E磁芯和I磁芯粘在一起,夹上夹子;

                 6)在电路板上C、D焊盘上测量的电感要求大于2 mH (测试条件为1万kHz,1V);

                 7)烘烤,固定磁性材料。烘烤前后需要目测E磁芯与I磁芯是否对齐;

                 8)冷却后再次测量电感;

                 9)在E双面胶粘贴在磁芯上;

                 10)抗电强度试验,试验参数如表1所示。

                 两个绕组电路板的倒角对齐,45°倒角是极性标志。加工后的平面变压器实物如图3所示。

         5 电源整机工艺

                 整个电源分为铝基板和印刷板。两个电路板需要分别生产和焊接,然后组装成整机,最后连接上下电路板的信号。

         

                 上层印刷板为双面铜板,控制电路、反馈电路、保护电路等功耗较小的部件。下层为铝基板、变压器、电感器、开关管等大功率设备。印刷板与铝基板之间的信号通道用针连接,铝基板的四角铆接螺母用于安装散热器。

                 变压器安装定位后,使用E磁芯下表面的导热双面胶粘合并固定在铝基板上,如图2所示C、D插入直径1的过孔焊盘.0mm的连接针,G、H插入直径2的过孔焊盘.0mm将适量的锡膏放在焊盘上,与其它部件一起回流焊接。

                 安装变压器时,应平压,以降低热阻,确保散热良好。铝基板回流焊时,应注意炉温和带速的控制,确保设备焊接可靠,尽量避免焊接后铝基板上锡珠和松香过多。

         6 设计和应用案例

                 上述设计方法和步骤将采用EI双管正激电路拓扑模块开关电源220W输入直流电压200功率~400V、输出直流电压24V产品设计。产品整体外观尺寸为86mm、72mm、12.7mm。

         

                 输入400直流电压V,在额定输出条件下,连续工作两小时后,整机各设备的温升达到稳定状态。如图4所示,试验环境温度为23.5℃变压器在整机中的最高温度为72.6℃;输入直流电压为200V,在额定输出条件下,连续工作两小时后,整机各设备的温升达到稳定状态,产品热成像图如图5所示,试验环境温度为22.9℃变压器在整机中的最高温度为83.6℃。

         7 结论

                 本文详细阐述了模块开关电源中平面变压器的设计、加工和应用。根据平面变压器本身加工工艺的复杂性,明确指出了平面变压器在各种常见电路拓扑中的适用性,计算了双管正激电路拓扑机车上的平面变压器设计参数,并给出了具体的实例参数计算过程。通过介绍平面变压器电路板绕组的设计方法和具体的设计过程,展示了多层电路绕组的铺设细节和拼接设计技巧。阐述了平面变压器的加工和电源机的工艺设计,给出了变压器和电源机的实际设计和应用案例,测试了机器的性能,验证了设计的可行性和合理性,为平面变压器的大规模自动化生产提供了技术和应用参考。

          

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