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；