脉冲变压器设计与制作指南

V = 2 * N * Ae * B * f * 10 - 8 ..…….………..…….…………..（1-9）
如果輸入的波形是 Sin 波、三角波 ….. ，計算式的係數將會有所差異。
2. 結構說明： 2.1. 鐵心選擇： Pulse Transformer 的鐵心是使用 Ferrite 材質，μ值大約 4000 以上，飽和磁通密度（BS）4100 高斯（Gauss） 左右，為了得到良好的訊號耦合效果及減少體積，鐵心的幾何形狀大都選用環形（TOROID），隨著傳送頻 率的升高，鐵心的截面積（Ae）逐漸減小，從早期的 T 6 * 3 * 1.5（外徑*內徑*高）變成 T 4 * 2 * 1 更減小 到目前的 T 2.5 * 1.2 * 0.8 ，可以想見繞線的困難度是越來越高。 2.2. 繞線方式： 依電氣規格要求，通常用到的方式如下：
(a). 如果訊號源的內阻 R1 = 50Ω，變壓器次級接的傳輸線，其特性阻抗 = 50Ω，則 ⎜⎛ N1 ⎟⎞2 = 1 亦 ⎝ N2⎠
即 N1：N2 = 1：1 ……………………………………………. 輸出端阻抗相同 => 圈數相同 (b). 如 果 訊 號 源 的 內 阻 R1 = 50 Ω ， 變 壓 器 次 級 接 的 傳 輸 線 ， 其 特 性 阻 抗 = 100 Ω ， 則
(a). 線路圖
電路中，T1 的功能就是脈衝變壓器，當 Q1 或 Q2 導通時，輸入直流電壓跨在 N1 或 N2，由於 Q1 與 Q2 會 交替導通，對 T1 而言，就像交流電跨在 N1 與 N2，鐵心的磁滯曲線會從第一象限，轉到第三象限，（B-H 曲 線）如下圖所示：
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脈衝變壓器（Pulse Transformer） 講義
3. ψ21 是由ψ1 衍生而來，兩者互成比例，在理想狀況下，ψ21＝ψ1，但通常ψ21＜ψ1，先定義耦
合常數
K
=
ψ21 ψ1
（通常
K＜1），代入
( 3-2 )
式後，得到
….
V 2 = K * N 2 * dψ1 ……. ( 3-3 ) dt
4. 將 ( 3-3 ) 與 ( 3-1 ) 相除，並假設 K＝1，得到 …………………… V 2 = N 2 ………...…. ( 3-4 ) V1 N1
4.7. Cross Talk ……………………………『串音』是信號從一通道進入另一相鄰通道的耦合能量，單位用（分 貝）表示，該數值就是量測其相互干擾的比率，越小越好。
HP8712
⎝ N 2 ⎠ 25 亦即 N1 : N 2 = 2 :1 = 1.414 :1 …………….…………..… 輸出端阻抗較小 => 次級圈數降低
4. 一般測試項目： 4.1. Turn Ratio …………………………… 初級與次級圈數比
信號發生器
待測品
示波器
(1). 利 用 標 準 樣 品 與 待 測 品，將初級相串連，於 次級測量電壓值
以稱它為：脈衝變壓器，現在我用帛漢生產的 DC/DC 上用到的脈衝變壓器，來解釋其電氣原理：
註 1.：E-T 常數 是評量變壓器的係數（單位是：V – Second ），定義該變壓器輸入端，可以承受多大的：電壓與工作 時間寬的乘積，如果輸入端的訊號，其電壓與工作時間寬的乘積超過該數量的話，該變壓器將無法正常工作， 其輸出訊號會『 失真 』。 例如：該變壓器規格標示 E-T 常數 = 20μ（V-Second ），表示：如果我們輸入電壓為 10V 方波時，訊號 Hi 的 寬度最好小於 2 μSecond ，否則訊號經過該變壓器之後，方波將會變形失真。
6. 現在先忽略線圈的內阻，初級電流 I1 = V1 => R1 = V1 ，次級電流 I 2 = V 2 => R2 = V 2 ，
R1
I1
R2
I2
V1
將
R1 R2
=
I1 V2
= V1 V2
*I2 I1=⎜⎛ ⎝N1 ⎟⎞2 N2⎠
………………. ( 3-6 )
I2
式 (3-6) 的意義解釋如下：( 訊號源的內阻，如果與從變壓器輸入端看進去的阻抗相等時，會有 最大功率輸出 )
V = N * dψ ……………………………………………...（1-1） dt
(b). 將上式兩邊以半週期積分運算（所謂積分就是算這半週期 T0 ~ T1 之 電壓*時間 的面積，就是剛才說的 E-T 常數），令 Φ＝B * Ae （磁通量＝磁通密度 * 截面積），則其公式如下：
∫1
T
2 V dt = Ae * [B]
⎜⎛ N1 ⎟⎞2 = 50 = 0.5 亦即 N1: N 2 = 1: 2 = 1:1.414 …. 輸出端阻抗較大 => 次級圈數增加 ⎝ N 2 ⎠ 100 (c). 如果訊號源的內阻 R1 = 50Ω，變壓器次級接的傳輸線，其特性阻抗 = 25Ω，則 ⎜⎛ N1 ⎟⎞2 = 50 = 2
V = 4 * N * Ae * B * f …………..……………………..…..（1-6）
從（1-5）式 取出 N 後得到
N = V *Ton ………………….…………..….………..…..（1-7） 2 * Ae * B
上式若磁通密度的單位為 高斯（Gauss），Ae 的單位為 cm2，則（1-7）式又可寫作：
射的訊號，就是輸出的訊號，可以視同輸出信號與輸入信號大小的 比值，當不接變壓器時（開路），對輸入訊號源而言，其 反射功率最
大，『反射損失』最大，通常希望『反射損失』越小越好，測試方式 與 Insertion Loss 相同。
4.6. Cww ………………………………….. 初次級間的雜散電容，將會隨繞線方式而不同
級圈數 L1、L2：初次級的電感值
變壓器的工作原理就是由 N1、N2 間的互感產生，計算步驟如下：
1. 當交流訊號加到 N1 時，在線圈中產生磁場變化，根據：法拉第定律 V = N * dψ ，變壓器初級的自 dt
感電動勢為 ……. V1 = N1* dψ1 ……………. ( 3-1 ) dt
2. 因為 N2 與 N1 繞在同一個環形鐵心上，N2 也將產生互感電動勢 … V 2 = N 2 * dψ21 …… ( 3-2 ) dt
脈衝變壓器（Pulse Transformer） 講義
動作原理與計算 結構說明 脈衝變壓器的用途 一般測試項目 實際應用範例
Date ： 2001 年 6 月 12 日
1. 動作原理與計算： 脈衝變壓器的動作與傳統的變壓器相同，只是因為它的 E-T 常數 (註 1) 很小，只能承受很小的脈衝寬度，所
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Date ： 2001 年 6 月 12 日
5. 假設變壓器沒有功率損失，輸出功率 = 輸入功率 ie. V1* I1 = V 2 * I 2 => V 2 = I1 代入 ( 3-4 ) V1 I2
式，得到 …………. V 2 = N 2 = I1 ……………. ( 3-5 ) V1 N1 I 2
N0
( +B => -B ) .………………..（1-2）
積分的時間 t 係介於 0 ～ T／2 （T0 ～ T1） 半個週期之內，此期間內之磁通密度變化，介於 ─B ～ ＋B 的 2B 範圍內，由式子（1-2）可以求得
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Date ： 2001 年 6 月 12 日
(b). 鐵心的 B-H 曲線
Date ： 2001 年 6 月 12 日
Q2 導通時
Q1 導通時
此處的面積大小與損失成正比
(c). 施加於變壓器 N1、N2 電感上的電壓與磁通密度
電壓值＊時間 的面積與磁通密度成正比
磁通密度與電壓的積分成正比
T0
T1
(a). 令磁通為Φ，加在繞組 N1 圈上的電壓 V，根據法拉第定律，可以下式表示：
3.2. 阻抗匹配： 傳遞訊號的同軸電纜，會因為絕緣體材質、外部導體內徑、中心針的外徑…….等，而產生阻抗不同的
特性阻抗 (註 2) 情況，如果選用不適合的同軸電纜，或傳遞電路上的變壓器圈比錯誤，訊號將會因為同軸 電纜的阻抗不匹配，而產生電線尾端訊號減弱甚至失真的情形。
註 2.：特性阻抗（Characteristic Impedance）：一般日常生活接觸到的例子如：電視天線有 75Ω（傳統的接八木天線 的室外天線）、300Ω（第四台的同軸電纜線）兩種，就直流而言，他們都是銅線，所以直流阻抗（DCR）均很 小，趨近於零，但是對視頻訊號而言，卻有 75Ω與 300Ω的差異。 以示波器的 BNC 線 50Ω為例， 它之所以被稱為 50Ω，是因為該型同軸電纜在 77Ω時，具有最低的訊號衰 減，而在 30Ω時，具有最大的功率輸出，如下圖所示：
3. 脈衝變壓器的用途： 3.1. 不同『地』的訊號傳遞： 電腦連線時，因為每台電腦的『地』電位不同，甲電腦的 0、1 訊號要傳遞給乙電腦時時，甲電腦的數 位訊號必須先利用 Pulse Transformer 調變成交流訊號（視電路架構而定），透過 『Pulse Transformer』隔離 後，將交流訊號送到網路電纜，再連接到乙電腦，乙電腦接到調變過的交流訊號時，也必須透過『Pulse Transformer』達到隔離的目的
V = 4 * N * Ae * B * f * 10 - 8 …………...…………………..（1-8）
從（1-8）式可以知道：現在的 CPU 由 5V 轉成 3.3V（V 減小），振盪頻率升高（f 增加），所以 Ae 可 以變的比較小。
上圖所用的架構是有中間抽頭，而且是直流輸入，磁通正負極來回跑，如果是計算沒有中間抽頭的變壓 器時，因為磁通只有單邊飽和，計算式將會變成：
(2). 正常品於次級測量到的 電壓應該為零