开关电源变压器的设计与制作方法

1 引言
高频开关电源的设计主要有两部分，一是电路部分的设计，二是磁路部分的设计．相对电路部分的设计而言，磁路部分的设计要复杂得多．磁路部分的设计，不但要求设计者拥有全面的理论知识，而且要有丰富的实践经验．在磁路部分设计完毕后，还必须放到实际电路中验证其性能．由此可见，在高频开关电源的设计中，真正难以把握的是磁路部分的设计．高频开关电源的磁性元件主要包括变压器、电感器．本文根据变压器的安全规范，合理选择材料，介绍变压器的具体制作方法，使设计出来的变压器符合‘隔离变压器和安全隔离变压器》的标准．

2 引用标准
①国际电工委员会电工产品安全认证组织(IECEE)：1985年由国际电工委员会(IEC)建立，该组织下设有三个委员会和一个秘书处：管理委员会、认证机构委员会、检测试验委员会．目前对14类产品进行安全认证，其中有电线电缆、家电用品、电子医疗设备等，而第12类就是安全变压器．
②国内标准SJ3270—90隔离变压器和安全隔离变压器》．

3变压器的安全规范

3．1标准规范
磁性元件用于交换式电源供应器的结构中，必须遵守一定国家或是国际上的安全标准．我国的电子变压器可按国内标准SJ3270．90‘隔离变压器的安全要求》申请认证：而出口到欧美等国的变压器，则分别按各相关国的标准进行对口认证．例如：
U．L(Underwriter Laboratories)为美国标准．
c．S．A(Candanian Standards Association)为加拿大的标准．
v．D．E(Verband Deutsher Elektronotechniker)为欧盟所使用的德国标准，目前V．D．E已成为较受欢迎的标准，其安全标准考虑较为严格．其标准重点为保护操作人员的安全，对线圈绕线方法，输入与输出的隔离有较严格的要求，需耐高压3750V AC．

3．2变压器的绝缘电阻安全规范
在变压器结构中，绕组与磁芯与铁架之间，在一分钟提供500V DC的电压情况下，至少要有I OOMQ以上的阻抗．

3．3变压器的湿度阻抗安全规范
在高湿度91"-95％的环境下，温度在20-一30"C之间，连续在环境测试机48小时后，变压器一次侧与
二次侧须能够承受3750V AC，即变压器在此环境中须保持绝缘阻抗及介电强度．

3．4变压器的安全规格
电子设备根据安全性能要求可分为三种类型．
第一类(Class I)：此类设备用以下两种方式来防护电击：用基本绝缘：假如基本绝缘被破坏，而危险电压用导线连接到大地导体的保护方式．此类设备也可用双重绝缘(double insulation)或加强绝缘(reinforced insulation)来设计，或者只用于安全性极低的电压线路上．
第二类(ClassⅡ)：此设备不单只靠基本绝缘来防护电击，且须增加安全措施，如用双重绝缘或加强绝缘措施，而不提供接地保护者．
第三类(ClassⅢ)：此类设备靠SELV(Safety Extra Voltage)电路来防止电击．
变压器在具体设计中要根据电路来选择类型．

3．5变压器的安全温度
变压器有温度等级之分，当温度高于周围温度25"C以上时，U．L／C．S．A标准会对变压器温度订出额定值，用两种方法来做温度的量测，第一种称为热偶法(利用热电偶所产生的位差，由仪器记录)；第二种称为电阻法(利用铜的绝对零电阻温度为基准来计算)，计算公式：(234．5+T1)／RI=(234．5+T2)／r2．其中，铜的零电阻温度：．234．5"C；测试前环境温度为：T。；测试后环境温度为：T2；测试前初级电阻为：R，；测试后初级电阻为：R2．
绝缘等级分为七个等级，每一等级变压器的安全温度如表1所示．用上述二种方法可以得出不同绝缘等级变压器的可接受的温升度数，如表2所示．

表l 不同绝缘等级变压器的安全温度

表2不同绝缘等级变压器的可接受的温升度数

3．6变压器安全规定爬电距离
为了符合u．L，V．D．E等严格的安全规定，在变压器引脚与绕组之间必须有一定的安全距离，见参考文献．为了缩小爬电距离，可以在开线架模时，预留安全的距离或另外为沿面距离的塑胶片另外开模．

4材料选择

按变压器的安全规范及实际验证，在材料选择上要注意如下几点：

4．1线架(BOBBIN)：在变压器中起支撑线圈的作用，按材质分为：热塑性材料，热固性材料．材料的不同，线架的工艺温度和压力不同．

4．2磁芯(CORE)：铁粉芯磁芯用于高频变压器，它是一种带有尖晶石结晶状结构的陶磁体，其常用组合如锰锌(Mn Zn)系列、镍锌(Ni Zn)系列及镁锌(Mg Zn)系列．此种材具有高导磁率和阻抗性的物性，其使用频率范围由1kHz到超过200kHz．

4．3套管(TUBE)：套管种类繁多，用途广泛，我们常用的有TEFLON(铁氟龙)、矽质套管、玻璃纤维矽胶套管、矽橡胶套管、矽胶．其中以TEFLON为材料的套管是最耐强酸、强碱、最抗粘、最滑溜耐磨的套管．

4．4胶带(TAPE)：以带基／基材分类，胶带有很多种，但抗焊接、抗穿刺、质薄、绝缘强度高、从形性好、温差能力良好、有极佳的抗化学品、抗化剂和防潮能力始终是优质胶带的标准．

4．5漆包线(WIRE)：在GB6109．1．90标准中，规定了各型号漆包线的通用技术要求，该标准是等效采用国际电工委员会IEC317(1988)．漆包线的导体(铜线)按GB6108．1—85(等效IECl82—1)规定，其标准尺寸采用GB321—80规定的R20、R40系列．

4．6胶(EPOXY)：在变压器中，胶用于接合．固定或灌注．胶按其组成不同分为单剂型、变剂型和三剂型．不同的型号的胶硬化条件和时间不同．
4．7绝缘漆：在变压器制作中用到的绝缘漆是清漆．清漆，又称假漆，俗名凡立水．人造漆的一类，是不含颜料的透明漆．主要成分是树脂和溶剂或树脂、油和溶剂．涂施于物体表面之后，溶剂挥发，树脂或树脂和油结成光滑的薄膜．易干耐用，并能耐酸和油．用于变压器、线圈、漆包线之含浸或涂装，有防潮、散热、绝缘、固定、保护线路板及美观等作用． 5变压器具体制作方法

根据变压器的安全规范及实践经验，具体制作方法应注意如下方面：

5．I绕线
根据变压器要求不同，确认线架规格，把不用的脚在未绕线前先剪掉，以防绕完线后再剪除时会刮伤漆包线或剪错脚，而且可以避免绕线时缠错脚位；确认线架完整，不得有破损和裂缝：按要求包好醋酸布，紧靠线架两侧，再在第1脚上先缠线(或先钩线)后开始绕线．绕线的方式大致可分为：一层密绕、均等绕、多层密绕、定位绕线、并绕．如设计初级绕组16匝，采用型号为AWG23的铜线，采用分层绕，分二层，每层2股，第一层10匝，第二层6匝，并绕如图1所示；复位绕组16匝，采用型号为AWG23的铜线，绕法与初级一样；次级绕组2匝，采用厚度t=0．1mm，宽度b=14mm的铜箔，两层并绕，即截面积S=2．8mm2．在最终确定导线规格时，均保留了一定的误差范围．

图1 同组并绕图

图2铜箔绕制图

5．2绕铜箔
铜箔绕法除焊点处必须压平外铜箔之起绕边应避免压在线架转角处，须自线架的中央处起绕，以防止第二层铜箔与第一层间因挤压刺破胶布而形成短路；铜箔须包正包平，不可偏向一边，不可超越挡墙，如图2所示。


图6组装磁芯
5．3包胶带
包胶带的方法有四种，如图3所示．刚开始绕线时，需加压线胶带的贴法如图3D所示．变压器初级线圈分两层，第一层到第二层时胶带贴法如图3A所示；初级线圈绕完后，需加绝缘胶带贴法如图3B所示，贴完方可绕复位绕组，复位绕组中的两层间的绝缘胶带贴法与初级线圈一样．绕完所有的胶带后，最外层的绝缘胶带贴法如图3C所示．整个过程注意：胶带须拉紧包平，不可翻起刺破，不可露铜线，最外层胶带不宜包得太紧，以免影响产品美观．
5．4压脚
将铜线理直理顺并缠在相应的脚上，用斜口钳将铜线缠紧并压至脚底紧靠档墙，剪除多余线头，缠线圈数依线径根数而定，如图4所示．整个过程注意： 铜线须紧贴脚根，预计焊锡后高度不会超过墩点；
不可留线头，不可压伤脚，不可压断铜线，不能损坏模型，铜线过多的可绞线．
5．5焊锡
将产品整齐摆放，用夹子夹起一排产品，脚沾助焊剂，以白手捧刮净锡面，立式模型镀锡时将脚垂直插入锡槽(卧式模型将脚倾斜插入焊锡槽)，镀锡深度以锡面齐铜脚底部为止．焊完确认：镀锡须均匀光滑，不可有冷焊、包焊、漏焊、连焊、氧焊或锡团，如图5所示．整个过程注意：塑胶模型不耐高温，易产生包焊或脚移位，不可烧坏胶带，三层绝缘线须先脱皮后镀锡，焊点之间最小间隙须在o．5mm以上．
5．6组装磁芯
确认磁芯无破损或变形，组装磁芯时，不同材质的磁芯不可组装在同一产品上，磁芯与磁芯接触面都需保持清洁，否则在含浸作业后L值会因而下降．包磁芯之胶布宽度规定，以实物外观为优先着眼，次以磁芯宽减胶布宽空隙约0．3mm～0．7mm为最佳．整个过程注意：磁芯胶布起绕处与结束处，立式起绕于脚端中央，结束于中央，如图6所示．
5．7含浸
将产品整齐摆放于铁盘内，调好凡立水浓度(o．915+0．04)，将摆好产品的铁盘放于含浸槽内．含浸10一15分钟，视产品无气泡溢出，放下凡立水，待产品稍干后取出放置滤干(滤干10分钟以上，视产品无凡立水滴下)、阴干、冷却(可用风扇送风加速冷却)．整个过程注意：凡立水与稀薄剂调配比例为2：1，放入凡立水时，凡立水高度以完全淹没产品为准，但凡立水不可上铜脚(特殊机种除外)．
5．8电气测试
电感测试：测试主线圈的电感量，半成品测试时，须将电感值域范围适当缩小．
圈数测试：测试产品的圈数，相位，电感值．
安全测试：测试变压器是否符合安全规范，其中主要测试变压器的绝缘电阻．

6结束语

为了确保开关电源变压器使用中的可靠性和安全性，国内外在对选择材料的绝缘性、阻燃性、制作方法等方面都有严格规定的安全标准．所以设计工程师必须按照安全认证标准来设计制作开关电源变压器．