铁氧体磁心高频变压器的设计

铁氧体磁心高频变压器设计(二)

2009-07-20 11:33:29| 分类：电子制作|字号订阅

来源：工程部作者：华奥盛2008-04-16 点击：251

3 高频变压器设计基础

与电源变压器不同，高频变压器工作在放大器电路中，是放大器的组成部分。而且，工作在有一定带宽的频段上，其参数与放大器电路参数有关。因此，分析与设计高频变压器时，必须与放大器电路相结合，并根据其特点确定电参数。3.1 高频变压器的主要作用

3.1.1 阻抗匹配

变换信号电压，使前、后级放大器达到阻抗匹配，保证信号不失真、高效的传输。

3.1.2 隔离

使用高频变压器可将两个电路隔离。

3.1.3 倒相

通过改变变压器的极性，使输出信号的相位与输入信号的相位相反；或变为两个大小相等、相位相反的信号。

3.1.4 多路信号迭加或分解

利用变压器可将两路或多路信号相迭加，或将一个信号分成几个信号传输给负载。

3.2 高频变压器的等效电路

高频变压器的主要作用是将某一量值的阻抗变换成另一量值，使两个电路间达到阻抗匹配或使放大器获得最佳负载阻抗。利用变压器所得到的阻抗，与一个具体的电阻不同，它是包含了变压器自身参数（自感、漏感、分布电容、铜阻）在内的一个网络，其电抗成分会随着频率的变化而变化。在不同频率下的各种电路中，变压器可等效为一个具体的网络，称为等效电路。图8为高频变压器的等效电路，它与电源变压器等效电路的区别在于补充了电源内阻Ri，并把初、次级漏感合并在一起用LS表示，定义为初次级总漏感。

图中：r1——初级铜阻；

r2′——换算到初级的次级铜阻；

C1——初级分布电容；

C2′——换算到初级的次级分布电容；

L1——初级自感（H）；

LS——次级短路，从初级端测得的漏感（H）；

Ri——电子管或晶体管内阻；

R2′——换算到初级的次级负载电阻；

rC——铁损分量等效电阻；

U1——信号源电压（V）；

U2′——换算到初级的次级电压（V）。

图8基本上反映了高频变压器的各个参数，但直接用来进行计算是有一定困难的，也是不符合实际的，需要区别不同情况加以简化。通常将工作频带分成低、中和高三个频段，把信号源内阻与负载电阻分为高阻和低阻，在各个频段上，将L1、LS、C1、C2′ 所呈现的阻抗与R1、R2′ 进行比较，在串联参数中，忽略远小于R1、R2′的参数，在并联参数中，忽略远大于R1、R2′的参数。由此可得到低频、中频、高频三个频段，高阻电路和低阻电路两种情况的简化等效电路。在实际应用中，由于大多数电路为使用半导体器件的电路，R1、R2′均为低阻，因此，在实际应用中，常用的等效电路为四种，见图9、图10、图11 和图12。

由图9电路可知，在低频段，L1的感抗随频率下降而下降，L1的大小直接影响输出电压U2′的大小。因此，L1是决定高频变压器的低频段特性的重要参数。

由图10电路可见，在中频段，只有与频率无关的电阻成分，输出电压U2′与输入电压U1之间的关系仅是简单的电阻分压关系。

在高频段，当R1、R2′均为低阻时，C1、C2′可以忽略，得到图11所示的等效电路。这是最常用的一种高频等效电路，主要用于晶体管放大电路。由图11可见，随着频率升高，漏感抗增大，使输出电压下降，因此，漏感LS的大小直接影响变压器的高频特性。当R1为低阻、R2′为高阻时，C1忽略、C2′ 不能忽略，得到图12所示的等效电路。对于升压比较高的输入变压器，由于C2′不能忽略，故其等效电路也为图12。由图12可见，C2′、LS组成串联谐振电路，在谐振点附近，输出电压会有剧烈的起伏，因此，回路的谐振特性影响高频变压器在高频段的特性。

3.3 高频变压器的输入阻抗及其频率特性

当变压器次级接上负载阻抗R2时，经阻抗变换后，从初级端看，呈现在初级两端子之间的阻抗为Z，我们称Z为变压器初级输入阻抗。对放大器而言，变压器的初级输入阻抗Z就是放大器的负载阻抗Ra ，即Ra = Z，如图13所示。

对每一个放大器，都存在着一个最佳负载。在最佳负载时，放大器的输出功率最大，电压的波形失真最小。若偏离最佳负载，则输出功率减小，电压的波形失真增大。如图14。所以，我们希望变压器的输入阻抗Z等于放大器最佳负载阻抗Ra，偏离会加大波形失真。为使放大器不产生过大的波形失真，负载阻抗即变压器输入阻抗的变化范围要加以限制，一般不超过10%~30%的范围。

由于变压器等效电路中存在电抗部分，引起输入阻抗Z随频率而变化。输入阻抗的相对变化量Z/R2′与频率的关系曲线称为输入阻抗频率特性曲线。图15为R1、R2′均为低阻的等效电路（图9、10和11）时的输入阻抗频率特性曲线。

由图15可见，在低频段，当工作频率f下降时，输入阻抗下降，但L1大的比L1小的下降慢；在高频段，当工作频率f

上升时，输入阻抗上升，但LS小的比LS大的上升慢。为控制放大器的波形失真，变压器需从输入阻抗允许变化量的角度来计算自感L1和漏感LS。

在图12的等效电路中，LS和C2′构成串联谐振回路，在谐振频率f0 附近，输入阻抗会出现谷点，其起伏程度与回路Q 值有关，如图16所示。

3.4 频率幅度特性

变压器所在的放大器，输入信号的幅度固定，改变信号频率，得到各种不同频率下变压器输出电压与中间频率（简称为中频）下的输出电压之比，称为变压器的频率幅度特性，又称频率响应或频率失真。为表示其相对关系，常用失真系数M来表示，并可按下式计算

式中M——频率失真系数（dB）；

U0——变压器在中间频率时的输出电压（V）；

Uf——变压器在某一频率下的输出电压（V）。

R1、R2′均为低阻的等效电路（图9、10和11）时的频率响应曲线见图17，而图12等效电路的频率响应曲线见图18。

3.5 设计高频变压器所需的电路参数和变压器的主要技术要求

3.5.1 阻抗

①信号源内阻R1；

②变压器初级输入阻抗Ra及允许变化范围；

③次级负载阻抗R2或匝数比n。

3.5.2 电压或功率

①输入电压U1；

②输出功率P2。

3.5.3 工作情况和电路图

①放大器工作状态（甲类、甲乙类、乙类……）；

②直流电压和电流；

③电路图。

3.5.4 变压器技术指标

①频率特性；

②效率；

③屏蔽要求；

④温升；

⑤其它特殊要求。

3.6 高频变压器的基本计算公式

3.6.1 匝数比

一般变压器

输入变压器

式中：N1——初级匝数，推挽变压器初级两臂总匝数；

N2——次级匝数；

Ra——单端放大器负载阻抗(Ω)，Ra = r1＋r2′+R2′；

Raa——推挽放大器一臂至另一臂负载阻抗(Ω)，Raa＝r1＋r2′+R2′；

C2、C2′ ——次级分布电容（pF）和换算到初级的次级分布电容（pF）；

η——变压器效率，η=R2′/（r1＋r2′+R2′)，当未给出效率时，可参照图19确定。

3.6.2 铜阻

①甲类放大器用变压器

式中r1——初级铜阻（Ω）；

r2——次级铜阻（Ω）。

②乙类放大器用变压器

当按热效应选择导线时，初级两臂总铜阻为

r1= 0.414 Raa (1-η)

次级总铜阻为

对于小功率晶体管放大电路，虽为乙类放大，但因电流很小而不考虑其发热时，铜阻可按“甲类放大器用变压器”公式计算。

3.6.3初次级回路电阻、等效电阻

①初级回路电阻RⅠ

甲类单边放大电路用变压器RⅠ= Ri + r1

甲类推挽电路用变压器RⅠ= 2Ri （每臂）+ r1

乙类推挽电路用变压器RⅠ= 4Ri（每臂）+ r1

②次级回路电阻RⅡ

RⅡ= R2 + r2

RⅡ′= Ra - r1（甲类单边放大电路）

或RⅡ′= Raa - r1（乙类单边、推挽电路）

③等效电源电阻Re

Re= RⅡRⅡ′/（RⅡ+RⅡ′）

④电阻比= RⅡ′/ RⅡ

3.6.4初次级电压

①已知输入电压U1（V）

次级电压U2（V）为

初级电势E1 =0.5（1+η）U1

②已知输出功率P2

次级电压U2为

式中U2——次级电压（V）；

P2——输出功率（W）；

R2——负载电阻（Ω）。

初级电压U1为

初级电势E1 =0.5（1+η）U1

3.6.5 低频段（图9所示的等效电路）输入阻抗和频率特性计算

①输入阻抗

式中RⅡ′——反射到初级的次级回路电阻（Ω）；

fL——最低工作频率（Hz）；

L1——最小初级自感（H）。

②频率特性

式中：KL——低频时的放大倍数；

K0——中间频率时放大倍数；

Re——等效电源电阻（Ω）。

令

输入阻抗与λ的关系曲线见图20，频率特性与ξ的关系曲线见图21。

3.6.6 高频段（图11所示的等效电路）输入阻抗和频率特性计算

①输入阻抗

式中fH——最高工作频率（Hz）；

LS——变压器初级总漏感（H）。

②频率特性

式中：KH——高频时的放大倍数；

RⅠ——初级回路电阻（Ω）。

令

输入阻抗与δ的关系曲线见图22，频率特性与Ψ的关系曲线见图23。

3.6.7高频变压器初级电感L1计算

①按输入阻抗的允许变化确定初级电感L1

按Z/RⅡ′值查图20得λ值，则初级电感L1为

例如，当输入阻抗允许变化量为30%时，由Z/RⅡ′＝0.7查图20得λ=1，故初级电感L1为

L1 = RⅡ′ /2πfL

②按频率响应计算初级电感L1

按要求的频率响应值（分贝数）查图21得ξ值，则初级电感L1为

例如，当频率响应允许为-3dB时，由图21查得ξ=1，则初级电感L1为

L1 = Re /2πfL

③比较以上两计算结果，取大的值作为变压器允许的初级电感L1的最小值。

3.6.8高频变压器初级总漏感LS计算

①按输入阻抗的允许变化确定初级总漏感LS

按Z/RⅡ′值查图22得δ值，则漏感LS为

例如，当输入阻抗允许变化量为30%时，由Z/RⅡ′ =1.3查图22得δ=0.8，故初级总漏感LS为LS =0.8 RⅡ′ /2πfH

②按频率响应计算初级总漏感LS

按要求的频率响应值（分贝数）查图23得ψ值，则漏感L1为

例如，当频率响应允许为-3dB时，由图23得ψ=1，则漏感LS为

LS = （RⅠ+RⅡ′)/2πfH

③比较以上两计算结果，取小的值作为变压器允许的初级总漏感LS的最大值。

4 单频或窄频级高频变压器设计

4.1 适用范围

所谓窄频级高频变压器是指工作频带较窄，其高低端频率之比不大于10的高频变压器。当在一个频率下工作时则为单频变压器。这类变压器由于频带较窄，变压器的分布参数（漏感和分布电容）对电性能的影响较小或可以忽略。

4.2变压器主要技术参数

①效率η；

②初级电感L1；

③漏感LS（当为单频工作时可忽略）；

④变压比n。

4.3电气计算步骤

①按给定效率η计算变压器铜阻r1、r2。

②计算变压器变压比n。

③按输入阻抗和频率响应计算变压器初级电感L1。对于单频工作的高频变压器，可按XL1≥（5~10）R2′来确定L1，即式中：L1——初级电感（H）；

R2′——反射到初级的次级负载阻抗（Ω）；

f——工作频率（Hz）。

④按输入阻抗和频率响应计算变压器初级总漏感LS。当变压器为单一频率时，按输入阻抗确定漏感。

4.4 选铁心

4.4.1按变压器初始磁导率μ0和结构常数A T选择磁芯尺寸

①适用对象：无直流磁化，工作磁感应强度很低的高频变压器。

②计算步骤

a) 按下式计算结构常数A T

式中：A T ——变压器结构常数（cm4）；

Km——窗口利用系数，初步计算时取Km=0.25~0.30；

μ0 ——变压器磁心的初始磁导率，按所使用的磁性材料和磁心的型式从产品样本中查得。EE型和EI型磁心的常用值见表15。

注：材料的初始磁导率μi为2300。

b) 按算得的结构常数A T查磁芯参数表（表8~表14）选择数据相近的磁芯。

4.4.2 按变压器有效磁导率μe和结构常数A T选择磁芯尺寸

①适用对象：有较小的直流磁化电流，工作磁感应强度较低的高频变压器。

②计算步骤

a) 按下式计算结构常数A T

式中μe——变压器磁芯的有效磁导率，按所选用磁芯的型式和电感系数值从产品样本中选取。

b) 按算得的结构常数A T查磁芯参数表（表8~表14）选择数据相近的磁芯。

4.5线圈匝数计算

4.5.1无直流磁化，工作磁感应强度很低的小功率高频变压器

初级匝数N1

式中：L1——变压器初级电感（H）；

C1——磁芯系数（mm-1）；

μ0——磁芯的初始磁导率。

次级匝数N2

N2 =N1 ·n

4.5.2有较小的直流磁化电流，工作磁感应强度较低的小功率高频变压器

初级匝数N1

式中：L1——变压器初级电感（H）；

C1——磁芯系数（mm-1）；

μe——磁芯的有效磁导率。

次级匝数N2

N2 =N1 ·n

4.6计算导线直径

初级导线直径

次级导线直径

式中d1——初级导线直径（mm）；

d2——次级导线直径（mm）；

lm——线圈平均匝长（cm），查表8~表14。

由d1、d2查线规表，选择标准直径，并查得带绝缘外径dm1、dm2及每千米铜阻和铜重。

4.7漏感计算

对壳式结构（EE、EI、EC、ETD、罐形、RM和PQ型）变压器，可按下式计算变压器初级总漏感LS 式中LS——初级总漏感（H）；

N1——初级总匝数；

δZ——组间绝缘厚度（cm）；

δ1——初级绕组总厚度（cm）；

δ2——次级绕组总厚度（cm）；

hm——初次级平均绕线宽度（cm）；

M——漏磁势组数，由间绕方式决定，常用间绕方式见图24。

4.8 分布电容计算

4.8.1 分布电容的组成

①初次级绕组对磁芯的分布电容CIC、CIIC；

②初次级层间电容CI、CII；

③初、次级绕组间的分布电容CI、II。

4.8.2分布电容的换算

①所有分布电容均换算到初级；

②各部分分布电容换算到初级后是并联的；

③初级总分布电容C1在漏感的左侧；次级换算到初级的总分布电容C2′在漏感的右侧。

4.8.3分布电容计算公式

①静电容计算如下式

式中C0X——静电容（pF）。指层间CI、CII，组间CI、II和对磁芯CIC、CIIC；

SX——被计算电容极板相对面积（cm2）；

SX=绕线宽度hm×极板平均匝长lmx

tX——被计算电容两极板间距离（cm）；

tx=绝缘层厚度+导线漆层厚度

ε——绝缘材料的介电常数。

②初、次级层间有效电容CI、CII计算

CI =1.33×（C0I/S12）(S1-M)

CII =1.33×（C0II/S22）(S2-M)

式中CI——初级有效电容（pF）；

CII——次级有效电容（pF）；

C0I——初级层间静电容（pF）；

C0II——次级层间静电容（pF）；

S1——初级总层数；

S2——次级总层数；

M——由间绕方式决定的漏磁势组数。

③绕组对磁芯、绕组间有效电容

式中：Cy——指CIC、CIIC和CI、II（pF）；

C0X——与上述相应位置的静电容（pF）；

Ua——被计算电容两电极间一端的电位差（V）；

Ub——被计算电容两电极间另一端的电位差（V）。

④总电容

4.9 电气特性核算

经结构计算得到的铜阻、自感量、漏感、分布电容的实际值，按前述公式核算输入阻抗、频率特性等，实际达到的指标应符合相应的技术要求。