网络变压器和连接器的设计及应用

第一部份:POWER部份
随着通讯的发展,对电源的要求向更高功率密度,更大电压和更大电流方向发展,限制开关电源小型化,高频化的主要因素是电感变压器等磁性器件和有源开关管及二极管.从磁性元件角度考虑,由于工作频提高,电源主变压器的设计对磁芯的选择提出了新的要求,对DC-DC模块来讲,开关频率己经达到400KHZ以上,在这一频率使用低导磁系数的材质己经达不到要求,同时对于输出电感,由于直流偏置特性要求,同粉芯材料相比,铁氧体的饱和磁感就强度(Bs)较低,直流偏听偏置(DC-BIAS)能力较差,当不能满足降低器件高度和体积的要求时
必须使用MPP(钼铍合金),铁硅铝,HIGH FLUX(高磁通磁芯)以及铁粉芯,同时,采用扁平螺旋绕线技术,达到减小绕组空间和增加可靠性.目前,美国普思,美国线艺,日本松下等国外知名变压器公司都在大电流输出平面电感方面有批量产品供应,在这些产品中,有采取复合磁芯,底座采取绝缘的NiZn,顶部采取铁硅铝平螺旋电感,如图一所示:
2.变压器分类:
依频率分为:①高频变压器 ②低频变压器 ③音频变压器 .
依材料分为:①矽钢片变压器 ②镍钢片变压器 ③IRON POWER变压器 ④KOOL变压器 ⑤矽钢卷变压器 ⑥Ferrite变压器.
依功能分为:①低频电源变压器 ②高压变压器 ③线性滤波器 ④镇流器 ⑤高频电源变压器 ⑥电流变压器 ⑦DC/AC逆交变压器 ⑧网络变压器 ⑨通讯变压器 ⑩通信变压器 (11)匹配变压器.
基本理论:
宽带变压器属于绕线式设计的磁性器件,在宽带频率范例办进行能量传输,绝大多宽带变压器广泛应用在各种低功率的电信通讯设备方面
上图表示了宽带变压器的插损---频率曲线的典型特性,变压器的带为f2与f1之间的频率间隔,或者是f2’与f1’之间的频率间隔,从图上可以看出,具有陡峭的截止频率特性曲线的带(f2’- f1’)比平坦陡峭频率特性(f2- f1)更窄,从图上也可以看出,三个频段分别被表示出来,宽带变压器的截止频率根据具体的变压器的设计要求来决定,因此,下限频率f1可以高于10MHZ,也可以低于300HZ,带宽也可能从几百赫兹到几百兆赫,宽带变压器设计的一个典型指标是中频带内的最大插损和截止频率处的最大允许插损,下图是一个变压器的集总参数等效原理图,将电路看成一理想变压器,包含等效寄生电阻和感抗,副边元件己经转换到原边,包括寄生和负载阻抗
变压器之主要构造可分为下述三项:
①铁芯由:铁钴、镍等合金之导磁材料构成,作为导磁回路籍以增强电磁感应作用,提高变压器之电磁转换效率.
②线圈:以铜铝及其合金作成导电回路,围绕于铁芯之上,用来传送输入及输出之电流.
③绝缘物:包含各种固态、液态及汽态之不导电绝缘材料.如纸，纱,漆,陶瓷,树脂及N2,CO2,SF6 等汽体.用以支持隔离导电回路及协助散热,冷却.
当Ui为交流电压时，感生电动势随着磁通量变化而变化，磁通量变化得越快，感生电动势也就越大，磁通量变化得越慢，感生电动势也就小，感生电动势的有效值为：
E1=4KΦƒN1BmSC×10-4
E2=4KΦƒN2BmSC×10-4
E1：初级自感电动势（V），对于理想变压器（不考虑线路、铁芯和漏磁的损耗）这个电动势与电压Ui的大小相等，方向相反，即E1＝-Ui；
M：是互感系数
对于理想变压器来说，初、次两级间的感生电动势是相等的，即u1(t)=u2(t)。
对网络通讯用的磁性器件,广义的理解是指网络通讯设备所需要使用的磁性器件,第一:包括POWER电源部(包括电源上所使用的功率变压器,输入输出电感,电流互感器,差共模滤波器等);第二;数据传输部份,相对前者,对功率密度的要求被宽带可靠传输数据信号要求所取代.因此,相应对磁性器件的要求就有很大差别,二者的设计理论也是截然不同的.第三:随着电磁噪声的是益恶化和相关标准的强制执行,怎样以最佳的性价比和最小的空间占用解决电磁兼容问题,也越来越成考虑的重点之一,除了要求对系统干扰源进行诊断和定位外,从器件级的角度进行合理的器件设计也成为解决电磁兼容重要一环.因此,对磁性材料的合理选择成为器件设计的关键,下面,分别就以上三方面进行具体的讨论.
在磁芯上绕一匝的直流电阻和电感量的比值必须尽量小,国际电工委员会在IEC60133号文件里己经设计定义了最小的R dc/L值的罐型磁芯,其它形关诸如EP型和PQ型磁芯也能够用于宽带变压器设计中,通常情况下,最后选择何种磁芯中还会受到诸如线圈绕制的难易,线圈端头处理和其他机械设计的约束限制.
带静态直流偏置磁场的宽带变压器在设计带静态直流偏置电流的变压器时,通过开气隙磁芯来克服电感的跌落,通过厂家提供的汉纳曲线可以帮助我们评估直流偏置对电感量的影响.
在通讯网络或局域网中，变压器经常被用在电路的物理层部份或模拟部份，主要起隔离、滤波、阻抗匹配以及倒相作用，优化电路以求信号在传输过程中有最小的损失从而达到最佳的信号传输效果。
近年来由于网络通讯的飞速发展，网络变压器发展尤为迅速，市场需求量十分巨大，在ISDN、10/100/1000BASET以太网、ADSL/VDSL、T1/P1上都有大量的使用。
可达60A,瞬太磁芯饱和和电流可达120A,同时涡流损耗很低,工作频率可以达到5MHZ,如下
在变压器方面,平面变压器应该是通讯业变压器发展的趋势,目前,象日本TDK,飞磁,开发出了各种平面磁芯,以满足市场需求,比如,针对板上型磁芯board mounted power supply(即变压器绕组直接设计在电源主板的多层PCB上,磁芯直接粘在主板上即可),国际电工委员会(IEC)出台的标准61860中,磁芯中柱类似椭圆,即减小了主板的开口,因此Rdc/L更小,使得变压器的铜损更低,响应面积,又减小了每匝线圈的长度,布线的允许宽度也增加更好.如下图所示:
在大多数宽带变压器设计中,在中心通频带内影响传输性能的主要是线圈电阻,由于线圈电阻影响的插入损耗表达式下如下这里的RC=R1+R2’
在高频频段,传输特性主要受到线圈漏感和匝间分布电容的影响,此时,通常情况下线圈励磁电感和线圈电阻都必须考虑,取决于电阻的阻抗特性,在低阻抗电阻中,由于漏感导致的高频信号衰减表示如下:
对于理想变压器来说，因为不考虑绕组的铜损和铁芯的铁损，且假设穿过初级绕组的磁通也完全穿过次级绕组，则根据能量守恒定律可知：变压器的初级绕组的输入功率等于次级绕组的输出功率，因此：
P1＝P2；
I1*E1＝I2*E2；则有：
即流过变压器初、次两级的电流之比等于初、次两级圈数的反比。
变压器初级阻抗为Z1，次级阻抗为Z2，则：
由此可得：
即变压器初、次两级阻抗之比，等于初、次两级圈数的平方比。
图二中ФS1为初级线圈间的漏磁通，ФS2为次级线圈间的漏磁通，这两磁通量将产生漏电感。
2．变压器的励磁电流
设在图三的初级线圈中加上一个交变电流i1，则这个电流在变压器的初、次级两端产生的感应电动势大小为：
其中：
L1、L2：是初、次级线圈的自感系数
E2：次级互感电动势（V）；
KΦ：电压的波形因数，对于正弦波，KΦ＝1.11，对于方波，KΦ＝1；
ƒ：交流电压Ui的频率（HZ）；
N1：初级线圈的圈数；
N2：次级线圈的圈数；
Bm：磁感应强度的幅值（T）；
SC：铁芯有效横截面积（CM2）。
由此可得：
即变压器初、次级两端的感生电动势之比等于初、次级圈数之比。
目前,互联网发展日新月异,我国互联网同欧美相比,相对比较晚,对变压器的网络结构中包括传输网,交换网和接入网,从现在来看,接入网发展速度非常快,从传输介质来看,可以分为光纤技术,混合光纤同轴电缆接入技术,铜线接入技术,目前,由于铜线接入技术能够利用传统的公共交换电话网的电话线,具有较好的性价比,比较适中国国情而己发展速度快,目前ADSL接入网的发展速度非常快,可以预见的是,VDSL的大规模发展己经不远了,而其中涉及的宽带变压器是最关键的器件,要求较高的传输速带宽,而对功率要求却不高,以下就宽带变压器的设计中磁芯的就用作一简要论述.
对高频频段带宽变压器来说,环形磁芯是最佳选择,达到要求的电感所需的匝数较少,绕制也比较容易,然而,较少的匝数对于获得期望的阻抗变比带来一定的难度,为了最小化线圈的漏感,建议副边采取双绞线形式以达到原副边的紧密藕合.还可以利用多孔磁芯取代相邻的两个磁环改善磁环的性能,同相等的尺寸因子C1的单磁环相比,多孔磁芯具有更短的每匝线圈长度,所以设计的变压器具有更高的带宽,许多宽带变压器利用N I Z n铁氧体取得了良好的效果,如果利用单磁环达不到要求的带宽,可以使用多孔N I Z n铁氧体来设计.
为了简化电路,将原副边结合,简化的等效电电路如上图,参数的物理意义列在等效电路下面,在低频区,传输特性变坏是由于低频区较低的激励阻抗阻所致,激励阻抗随着频率的降低而下降,导致信号衰减加,激励阻抗中,原边励磁电感Xlp占主要部份,忽略了产生漏电流的等效并联损耗电阻,因此,插入损耗以原边并联励磁电感如下:
在高抗阻电路中,由于分布电容导致的高频信号衰减表示如下：
回顾以上三个频段的插入损耗特性,可以得出以下结论:在变压器设计中,铁氧体磁芯的材料和形状决定最低截止频率处f1的每匝最高电感量,也就决定了低频处达到设计要求的电感量所需要的最少线圈匝数,较少的线圈匝数恰好是中心频段达到低损耗要求所希望的,也有利于满足频率高端f2好的频率响就所需要低的绕组寄生参数要求.
二．变压器的基本工作原理
1．器的基本原理图如（图二），当给变压器初级绕组加上电压Ui时，在该绕组中产生电流i1，电流i1建立了沿铁芯磁路而闭合的磁通Ф0，该磁通同时也穿过次级绕组，并在次级绕组中产生感应电动势E2。
按电磁感应定律可得：
对于理想变压器来说：Ф1＝Ф2＝Ф0当Ui为直流电压时，磁通量Ф0的变化率趋近于0，即所以E2＝0，故变压器对直流信号相当于开路，有良好的隔离效果。
低频和中频频段宽带变压器
在宽带变压器的应用设计中,比较合适的磁芯是在低端下限频率处有尽量高的初始磁导就率的MnZn材料,比如磁导率为5K或7K,非常适合用于低频和中频宽带变压器的设计中,一般来说,变压器并联励磁电感并不是最关键的参数,只要随着频率的提高,磁芯材料的磁导率为常数或者减小的速度比频率提高的速度慢即可,可以肯定的是,设计变压器时,只要下限频率f1在MnZn铁氧体的u i–f曲线的平坦部份即可,虽然在变压器的整个通频带内,磁性材料的磁导率己经减小,但实际上对变压器的通带特性没有影响,在宽带变压器的设计过程中,MnZn铁氧体的几何尺到此寸应该尽量减小线圈电阻和电感之比,即Rdc/L,换句话说，虽然对高中低频并没有一个明确的划分,但我们常使用锰锌或NiZ 作为高频宽带变压器设计的磁计,主要是指带宽超过500khz以上的宽带变压器,在这段频就率范围内,考虑磁芯材材的复数磁导率特性很重要,而不象在低频设计变压器,比如感因子AL.还有很重要的一点必须考虑到,那就是高频段变压器通常于用低阻抗电路中,因此,要求激励阻抗比较低,这就意味着需要的线圈的匝数较少,因此,线圈电阻变得更小,对器件性能的影响变得不再重要,设计准则即最小化R dc/L不再考虑,此时设计的重点在磁芯形状和在下限频率f1到达要求的激励阻抗的同时尽量减小绕组的漏感所要求的磁性材料特性.即然材料的磁导率特性以及磁芯损耗直接影响激励阻抗的大小,因此,在高频频段宽带变压器的设计过程中必须考虑到这些参数的影响,下图是磁芯的阻抗,等效并联感抗XP以及等效并联损耗电阻RP的频率特性.