铁氧体磁心高频变压器设计.doc

1、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：2513 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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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 f

8、0 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

9、需的电路参数和变压器的主要技术要求 3.5.1 阻抗 信号源内阻 R1； 变压器初级输入阻抗 Ra 及允许变化范围； 次级负载阻抗 R2或匝数比 n。 3.5.2 电压或功率 输入电压 U1； 输出功率 P2。 3.5.3 工作情况和电路图 放大器工作状态（甲类、甲乙类、乙类） ； 直流电压和电流； 电路图。 3.5.4 变压器技术指标 频率特性； 效率； 屏蔽要求； 温升； 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()，Ra = r1r2+R2； Raa

10、推挽放大器一臂至另一臂负载阻抗()，Raa r1r2+R2； C2、C2 次级分布电容（pF ）和换算到初级的次级分布电容（pF） ； 变压器效率，=R2/ （r1 r2+R2)，当未给出效率时，可参照图19确定。 3.6.2 铜阻 甲类放大器用变压器 式中 r1初级铜阻（） ； r2次级铜阻（） 。 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-) 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 初级回路电阻 R 甲类单边放大电路用

11、变压器 R= Ri + r1 甲类推挽电路用变压器 R= 2Ri （每臂）+ r1 乙类推挽电路用变压器 R= 4Ri（每臂）+ r1 次级回路电阻 R R= R2 + r2 R= Ra - r1（甲类单边放大电路） 或 R= Raa - r1 （乙类单边、推挽电路） 等效电源电阻 Re Re= RR/（R +R） 电阻比 = R/ R 3.6.4初次级电压 已知输入电压 U1（V ） 次级电压 U2（V）为 初级电势 E1 =0.5（1+）U1 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（） 。 初级电压 U1为 初级电势 E1

12、=0.5（1+）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 输入阻抗 式中 R反射到初级的次级回路电阻（） ； fL最低工作频率（Hz ） ； L1最小初级自感（H） 。 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（） 。 令 输入阻抗与 的关系曲线见图20，频率特性与 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 输入阻抗 式中 fH最高工作频率（Hz ） ； LS变压器初级总漏感（H） 。 频率特性 式中：KH高频时的放大倍数； R初级回路电阻（） 。 令 输入阻抗与 的关系曲线见图

13、 22，频率特性与 的关系曲线见图23。 3.6.7高频变压器初级电感 L1计算 按输入阻抗的允许变化确定初级电感 L1 按 Z/R值 查图20得 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/R0.7查图20得 =1，故初级电感 L1为 L1 = R /2fL 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 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 =1，则初级电感 L1为 L1 = Re /2fL 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 按

14、输入阻抗的允许变化确定初级总漏感 LS 按 Z/R值查图22得 值，则漏感 LS 为 例如，当输入阻抗允许变化量为30%时，由 Z/R =1.3 查图22得 =0.8，故初级总漏感 LS 为 LS =0.8 R /2fH 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 值，则漏感 L1为 例如，当频率响应允许为-3dB 时，由图23得 =1，则漏感 LS 为 LS = （R+R )/2fH 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

15、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 效率 ； 初级电感 L1； 漏感 LS（当为单频工作时可忽略） ； 变压比 n。 4.3电气计算步骤 按给定效率 计算变压器铜阻 r1、r2。 计算变压器变压比 n。 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（510）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（） ； f工作频率（Hz ） 。 按输入阻抗和频率响应计算变压器初级总漏感 LS。当

16、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 0和结构常数 AT 选择磁芯尺寸 适用对象：无直流磁化，工作磁感应强度很低的高频变压器。 计算步骤 a) 按下式计算结构常数 AT 式中：AT 变压器结构常数（cm4） ； Km窗口利用系数，初步计算时取 Km=0.250.30； 0 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 i 为2300。 b) 按算得的结构常数 AT 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 e 和结构

17、常数 AT 选择磁芯尺寸 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。 计算步骤 a) 按下式计算结构常数 AT 式中 e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 AT 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） ； 0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

18、中：L1变压器初级电感（H） ； C1磁芯系数（mm-1 ） ； e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； Z组间绝缘厚度（cm） ； 1初级绕组总厚度

19、（ cm） ； 2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 初次级绕组对磁芯的分布电容 CIC、CIIC； 初次级层间电容 CI、CII ； 初、次级绕组间的分布电容 CI、II。 4.8.2分布电容的换算 所有分布电容均换算到初级； 各部分分布电容换算到初级后是并联的； 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 静电容计算如下式 式中 C0X静电容（pF） 。指层间 CI、CII，组间 CI、II

20、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 绝缘材料的介电常数。 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。 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） 。 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。