高频开关电源变压器的设计及应用

刘斌

摘要：现如今，我国的国民经济在快速的发展，社会在不断的进步，主要研究基于反激开关电源技术，及其开关电源在音频 放大器中的应用。研究的目了解开关电源工作原理，分析与熟悉电路结构，应用其高效率、稳定性、可靠性、体积小、成本 低等优点，开发设计符合公司和市场需求的产品，拟解决传统工频变压器，效率低、稳定差、体积重，成本高等问题。为一 些初学者提供产品设计的帮助和参考，因此具有重大的意义。目前开关电源已经完成设计，并成功应用于功放产品中，为设计 功放提高产品市场竞争优势具有重要的作用。

关键词：高频；开关电源；变压器；损耗；优化设计

中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：2095-3178（2018）06-0206-01

引言

随着电源系统的发展，电源的体积变得越来越小，频率变得越

来越高，功率变得越来越大。但是，传统的磁芯材料的局限性，限 制了高变压器频率的提高。在开关电源设计中，为了减小开关电源 的体积，需要提高电源的开关频率。对于变压器而言，也是一样的。 因此，合理选择变压器的结构和设计方案变得至关重要。文章针对 变压器的常用设计方法，给出了变压器频率的选择、结构的选择、 磁芯的材料选择过程，并且给出了相应的计算过程。

1 高频开关电源理论基础

1.1开关电源工作原理

开关电源的基本原理方框图如图 1，通过高频开关技术将输入

较高的交流电压（AC）如 220V，转化成电子或电器设备工作所需要 的直流电压（DC）如 5V，12V，24V。用提高工作频率等手段提高电 源功率密度，进而达到减少变压器的体积和重量的目的。采用开关 变化的优势大大提高电能的转化效率。典型开关电源效率为 70%— 90%，依赖对脉冲宽度的改变来实现输出电压的稳定，称作脉宽调制 PWM。

1.2高频开关电源

高频开关电源（SwitchingModePowerSupply，SMPS）是一种高

频电能转换装置，可以将一个位准电压通过不同的方式转换为期望 的电压或电流。其核心原理是通过 MOSFET 或 IGBT 等电子元器件的 高频状态切换来实现电能的调节。高频开关电源的结构各不相同， 但从原理上看都是由主电路、控制电路、检测电路和辅助电源 4 部 分构成的。

1.3串联谐振电路

高频开关电源的开关方式有硬开关和软开关两种。其中前者多

采用 PWM 控制方式，由于频繁的通断会产生额外的开关损耗，并且 损耗值与开关频率成正比，另外还会产生分布电感和寄生电容等附 加损耗，严重限制了开关频率的进一步提高。软开关利用谐振原理 使电源在通断切换过程中并不承受电压，因此大大减小了不必要的 耗损。

2 高频开关电源变压器的设计

2.1磁芯损耗分析

高频变压器所采用的磁芯材料必须具备低损耗、稳定性好、温

度特性优良、饱和磁感应强度高等特性，业内最常见的磁芯材料包 括软磁铁氧体、坡莫合金和非晶态合金 3 种，其中应用最广的当数 锰锌铁氧体。该种材料具有较高的磁导率和居里温度、温度特性稳 定且具有明显的负温度特性，可以较好地解决高频变压器的容量、 损耗、体积、重量、散热等一系列问题。

2.2绕组损耗分析

高频变压器的绕组损耗主要取决于绕组的直流电阻、电流有效

值和交流电阻系数 3 个参数。一般来说，绕组的交流电阻比直流电 阻要高，这是因为绕组中存在一定的集肤效应和邻近效应。因此，交流电阻系数又成为绕组损耗分析的重中之重。 2.3线圈的绕制与绝缘

漏感是影响变压器性能的重要参数。线圈的绕制方法会影响变 压器的漏感。在绕制变压器时，初次级绕组需要紧密耦合在一起， 从而使得变压器的漏感减小。漏感过大，会在变压器产生尖峰电压， 使开关管被击穿，从而不能正常工作。常用的变压器绕法有：（1） 将初级、次级绕组合起来的双线绕法。这种方式可以使初级、次级 绕组之间的距离达到最小，因此漏感最小，但绕制比较麻烦；（2） 将奇数层、偶数层分层绕制。这种方式绕制较（1）容易，但是增大 耦合电容；（3）将次级绕组夹在初级绕组之间，称为夹层式绕制。 这种绕制方法工艺简单，容易绕制。在低压大电流情况下，此方法 可以减少导线的铜损。此外，初级线圈离铁芯远，高频干扰较小。

3 开关电源在应用中故障检修与方法

下面在和大家谈一下，开关电源电路常表现的 2 种故障表现；

（1）变压器次级负载供电电压为 0V，变压器上电后无反应，测试 控制端子 24V 和 10V 电压为 0V，检查开关电源输入的 530V 电压正 常，可判断为电源故障，检修步骤如下：先用电阻测量法测量开关管 Q1有沒有击穿、短路故障，电流取样R11有无开路，电路易损元 件为开关管，当它损坏后 R11 因受到冲击而阻值变大或者断路。Q1 的G 极串联电阻，震荡芯片IC1 往往受冲击而损坏，必须同时更换；检查负载回路有无短路现象。然后更换损坏元件，或未检测到短路元件，可进行上电检查，进一步判断故障是出在震荡回路还稳压回路。检测的方法；先检测启动电阻 R12 有无断路，正常后，用 16V 直流接入 UC3844 的 7 脚，为震荡单独供电，测量 8 脚应该有 5V 电 压输出，6 脚有几伏左右电压输出，说明震荡回路基本正常，故障 在稳压回路，若测量 8 脚有 5V 电压输出，但 6 脚电压为 0V，查 8 脚外接元件，6 脚外围元件。如果测量 8，6 脚电压都为 0V，UC3844 芯片已经损坏，需要更换。（2）开关电源出现间歇震荡，能听到“打嗝”或者“吱吱”声，指示灯时亮时灭，这是因为负载电路异常，导致电源过载，引发过流保护电路动作。负载电流异常上升，引起 一次绕组激磁电流大幅度上升，在电流采样电阻R11 形成 1V以上的电压信号，使芯片内部电流检测电路启控，电路停震，R11 上过流信号消失，电路又重新启震，如此循环往复，出现间歇震荡。检测方法；测量供电电路 C8，C26 两端电阻值，如有短路直通现象，可能为整流二极管 D6有短路，观察C8，C26 外观有无鼓包，喷液等现象，必要时拆下测量。供电电路无异常，可能为负载电路有短路故 障。

结语

针对高压可调电源领域中线性电源的缺点，提出一种新型高压

可调高频开关电源设计方案。给出高频变压器的设计过程，提出一 种改进型半桥拓扑结构；通过对半桥变换器进行线性建模，提出一种 控制电路的设计方法，并提出一种多段分程控制方式。所设计的仿 真电路与试验样机的启动响应波形基本一致，有效验证了该设计方 案的可行性。此种高压可调高频开关电源具有体积小、稳定性好、 效率高、成本低、安全性高等优点，有效弥补了传统线性电源的缺 点，具有广阔的市场应用前景。

参考文献

[1]王小波.开关电源中高频变压器的加工工艺[J].电源世

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[2]甘焯欣.高频开关电源变压器优化设计分析[J].电子制 作，2016（2）：28.