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1应用指南版本A07/96AN-18介绍本应用指南对TOPSwitch应用当中使用挡墙结构和三层绝缘线结构的反激式变压器设计加以说明。附录B中介绍了宽电压输入、12V输出、输出功率为15W的次级稳压电源，使用了挡墙结构和三层绝缘线结构的变压器设计，该设计依照应用指南AN-16中所述的设计流程。我们假定读者已经熟悉TOPSwitch以及基本的反激式电源理论。在TOPSwitch数据手册、应用指南AN-14和AN-16中可以得到这方面的信息。更多详细的反激式变压器理论及设计可参考AN-17。所需要的参考资料此应用指南、AN-16以及AN-17提供了TOPSwitch应用当中反激变压器设计和构造方面的必要技术。除此之外，还需要如下参考资料以了解磁芯、骨架、线材的尺寸及电气方面的的数据。这些参考资料的来源如附录A中所列。铁氧体磁芯生产商的产品目录铁氧体磁芯生产商发布的产品目录提供了变压器设计中所用磁芯的尺寸及电气特性参数。一些生产商对特别常用的磁芯还同时提供其它的一些工程上的磁芯信息，比如AL与气隙的关系曲线以及磁芯损耗曲线。附录A中所列的生产商产品目录提供了美国、亚洲及欧洲常用磁芯的基本电特性数据。对于各生产商都生产的尺寸相同的磁芯，某个生产商给出的电特性数据，只要磁芯尺寸相同就可以应用在另一个生产商生产的磁芯上。骨架生产商的产品目录骨架生产商的产品目录用于得到变压器设计的机械尺寸。附录A中的骨架生产商给出了各样适合标准铁氧体磁芯尺寸的骨架类型，并且从原料角度来看非常适合大批量生产。很多铁氧体磁芯生产商同时也生产适合其标准磁芯尺寸的骨架。PI-1907-061896PRIMARYSECONDARYBIAS图1.使用EE磁芯的典型反激式变压器AN-18应用指南TOPSwitch®反激式变压器结构设计指南July1996应用指南2版本A07/96AN-18线材表线材表提供了漆包线的尺寸及电气特性，用于选择变压器设计中使用线材的适当规格。有三种主要的线材规格系统：AWG、SWG以及公制。在本应用指南中使用的线材规格为AWG系统。附录A中的线材表格提供了AWG系统中规格为18号至44号线材的数据。同时表中也列出了SWG和公制系统中与AWG系统相对应的线材规格。参考书目5中也有相关的线材表介绍。线材表可以从附录A中所列的漆包线生产商处得到。变压器制作所需的材料如下段落描述了制作开关电源变压器时所需的基本材料。铁氧体磁芯适合于100KHz反激式变压器的铁氧体磁芯包括TDK的PC40、Philips的3C85、Siemens的N67、Thomson的B2、Tokin的2500或其它类似的材料。可以采用各种形状的磁芯。变压器的磁芯最好使用E型磁芯，因其成本低、易于得到而且漏感较低。也可采用其它形状和类型的磁芯，比如ETD、EER及EI型。与各种功率水平相适应的铁氧体磁芯类型及变压器结构类型如附录A中的图表所示。骨架离线式反激变压器的骨架应根据适用的安全规范所要求的爬电距离来选择。需要特别考虑的地方是从初级引脚经过磁芯至次级引脚之间的总的爬电距离，以及从初级引脚至次级绕组绕线区域之间的总的爬电距离。对某些类型的骨架，需要增加额外的绝缘以满足爬电距离的要求。骨架最好由热硬化性的材料制成，比如酚醛树脂，从而可以承受焊接温度而不变形。聚丁烯或聚乙烯对酞酸盐(PBT、PET)以及聚亚苯基硫化物(PPS)也是可以使用的材料，尽管与酚醛树脂相比它们对高温更加敏感。尽量避免使用尼龙材料，因为在将绕组引线端接至变压器骨架上的引脚时，很高的焊接温度会使骨架熔化。如果使用尼龙材料的骨架，骨架制造时要使用温度额定为130ºC的玻璃状加固树脂。绝缘材料变压器中常用的绝缘材料为聚酯或Mylar，加工成片状或带状。生产时制作成具有粘性的胶带，方便制作变压器时使用。生产胶带的美国生产商包括3M、Tesa以及CHR。对于变压器当中的爬电间距，最好使用较厚的胶带来绕制，这样层数可以相对减少。有些生产商生产适合此用途的聚酯薄膜胶带。漆包线漆包线的主要美国制造商有Belden、PhelpsDodge以及Rea。漆包线的首选绝缘为尼龙或聚氨酯涂层。该涂层在接触到熔化的焊料时会烧掉脱落，可以采用将变压器浸入焊料罐中镀锡的方法将绕组引线端接至变压器引脚。几乎所有的制造商都提供此类绝缘漆包线，品牌有：Solderon、Nyleze、Beldsol等。绝缘涂层应该是“加强型”或“双层”，这样才能更好地承受手工绕线过程中的应力。不要使用普通磁漆或聚酰亚胺线绝缘，因为在将绕组引线连接至变压器引脚时，必须将这些类型的绝缘层以机械的方式剥离或通过化学剥离剂剥离。三层绝缘线可以使用三层绝缘线来简化并降低有安全隔离要求的变压器尺寸。变压器制作中使用的三层绝缘线由一条实心的线芯及三个独立分开的绝缘层组成。附录A中列出了三个三层绝缘线的制造商。套管绝缘套管用于将挡墙结构变压器中绕组的起始端和结束端引线进行绝缘。套管要经过相应的安规机构验证，其最小厚度为0.4mm，以满足加强绝缘的厚度要求。同时套管必须是防热的，在变压器引线焊接至骨架引脚所要求的温度下，套管不能熔化。常用的套管材料包括特富龙套管或者聚烯烃热缩套管。3应用指南版本A07/96AN-18浸漆很多变压器制造商将其成品变压器浸渍在合适的清漆中。清漆填充变压器内部的空隙，可以改善变压器绕组至周围环境的热量传递，并增加变压器绝缘的电压绝缘强度。同时，浸漆还可以将磁芯和绕组予以固定，从而降低音频噪音，并且使变压器成品免受潮气的侵袭。变压器浸漆的缺点是在变压器生产过程中增加了额外一道耗时的工序。附录A中列出了一些变压器清漆的制造厂商。变压器制作方法为了满足国际安全标准，用于离线式电源的变压器在初级和次级绕组之间必须保证足够的绝缘。对于采用标准磁芯和骨架的变压器，有两种基本的变压器绝缘方法：挡墙绕制结构和三层绝缘线结构。挡墙绕制结构国际安全规范对于使用漆包线的变压器有如下的要求：•初级和次级绕组之间要保证加强绝缘；•初级和没有加强绝缘的次级绕组之间要保证足够的爬电距离；满足如上要求的典型挡墙绕制结构变压器的横截面如图2所示。对于安全规范要求的初级和次级绕组间的爬电距离，对应115VAC交流输入的电源一般为2.5至3mm，230VAC或通用输入电压范围的电源则为5至6mm。此爬电距离由称为挡墙的实体障碍物来保证。在很多实际的变压器设计当中，使用胶带绕制在骨架的两端作为挡墙，绕组绕制在挡墙之间，如图2所示。初级和次级绕组间总的最小爬电距离等于挡墙宽度M的两倍，如图3所示。因此，最小的挡墙宽度为所要求的爬电距离的一半，对应115VAC输入时为1.25至1.5mm，对应230VAC或通用输入电压范围则为2.5至3mm。初级和次级绕组所需的加强绝缘是利用三层电气胶带来实现的。任意两层胶带都可以承受安规要求的测试电压，对应115VAC输入该测试电压为2000VRMS，对BIASPRIMARY(ZWOUND)ALTERNATEPRIMARYWINDINGSECONDARYREINFORCEDINSULATION(a)MARGINWINDING(b)CWINDINGPI-1828-041696MARGIN图2.挡墙绕制变压器的横截面应230VAC输入电压该测试电压为3000VRMS。如图2所示，每层胶带要覆盖从骨架的一侧边缘至另一侧边缘的整个骨架宽度。在此类应用中使用的聚酯薄膜胶带的厚度要至少为0.025mm。次级绕组被挡墙和加强绝缘有效地“封在盒子里”，与初级绕组相隔离。由于每个绕组的进出引线都穿过挡墙而连接至变压器引脚，因此要对其进行额外的绝缘处理，以保证挡墙绝缘的完整性。在挡墙绕制结构变压器的进出引线上使用壁厚至少为0.4mm的绝缘套管可以满足以上要求。如图4所示，该绝缘要从变压器的引脚延伸至挡墙障碍的内部。图3.挡墙绕制变压器的绕组间爬电距离PI-1867-053196CREEPAGEDISTANCEREINFORCEDINSULATIONPRIMARYANDBIASWINDINGSSECONDARYWINDINGMM}}应用指南4版本A07/96AN-18采用挡墙绕组技术允许使用普通的漆包线及容易得到的绝缘材料来制作变压器。然而，挡墙的使用、进出线所需的套管及加强绝缘的使用也会增加变压器设计的复杂程度，以及相应的工作强度。挡墙也浪费了变压器内部的空间，相对于无挡墙的变压器而言，要使用更大的磁芯和骨架。另一种替代挡墙绕制结构变压器的方法是采用三层绝缘线来制作变压器。三层绝缘线结构三层绝缘线（见图5）具有三层独立的绝缘层，任意两层都可以承受安规要求的3000VRMS的耐压测试电压。三层绝缘线因而可以满足VDE/IEC规范中关于加强绝缘的要求，可用于变压器的制作，而不需要象传统漆包线设计一样要考虑爬电间距。三层绝缘线变压器设计的横截面如图6所示。三层绝缘线设计当中，初级和偏置绕组仍然使用漆包线，而次级采用三层绝缘线绕制。一般来讲，这样做可以使成本最低，空间利用率最高，同时也利用了的三层绝缘线的优点。因为三层绝缘线的直径变压器结构技术图7所示为适用于初级和次级稳压反激电源应用的四种变压器结构，分别采用了挡墙绕制和三层绝缘线绕制技术。这四种变压器结构足以满足所有开关电源的使用要求。下面的内容将对某一应用中如何选择变压器的结构及所应考量的因素加以讨论。同时，也会考量如何降低EMI、分布电容及如何降低漏感。绕组顺序图7所示为使用挡墙绕制和三层绝缘线绕制结构、应用于初级和次级稳压方案的最佳变压器绕组顺序。下面将讨论影响最佳绕组顺序及绝缘材料位置的因素。图5.三层绝缘线PI-1795-030895SolidWireCore3SeparateInsulationLayers图6.三层绝缘线绕制的变压器横截面较粗，与同等尺寸的漆包线相比其价格较贵。次级绕组与初级绕组相比，通常其圈数较少，线径较粗，因此三层绝缘线成本及空间的影响比较小。在三层绝缘线的设计中，由于三层绝缘线具有的加强绝缘，变压器骨架的整个宽度都被完全利用。一般来讲，同等功率能力的变压器，采用三层绝缘线结构的变压器与采用漆包线的变压器相比，其大小为漆包线结构变压器的1/2至2/3。漏感的变化与变压器绕组的宽度成反比，因此，三层绝缘线绕制的变压器的漏感通常低于同等用漆包线绕制的变压器。因为其更有效地利用了变压器骨架的空间。图4.使用绝缘套管5应用指南版本A07/96AN-18于使用TOP200和TOP210的低功率应用尤其重要。它可以防止在TOPSwitch开通时变压器绕组电容放电而产生的初始电流尖峰误触发TOPSwitch的限流点。初级偏置绕组电源采用初级侧稳压方式还是次级侧的稳压方式决定了初级偏置绕组的最佳位置。如果电源采用次级侧的稳压方式，偏置绕组应位于初级绕组和次级绕组之间，如图7A和7C所示。当偏置绕组位于初级和次级之间时，它相当于一个连接至初级返回端的EMI屏蔽层，降低了电源产生的传导EMI。在使用次级稳压方式且采用挡墙绕制结构变压器的设计当中，将初级偏置绕组放置在初级和次级之间同时可以减少变压器中挡墙和加强绝缘材料的使用。初级绕组图7所述的所有的变压器结构类型当中，初级绕组（或初级绕组的一部分）都作为第一个或靠近骨架最里面的绕组。这样可以保证每圈用线的平均长度尽可能短，降低了初级绕组的寄生电容。同时，如果初级绕组作为变压器最里面的绕组，它可以被变压器中其它的绕组屏蔽，从而可以降低初级绕组与其它邻近元件的噪声耦合。绕组的起始端应为初级绕组的驱动端（连接至TOPSwitch漏极的一端）。这样可以保证具有最大电压漂移的一半初级绕组被其它绕组或另一半初级绕组所屏蔽，从而降低变压器初级侧与电源中其它部件之间的EMI耦合。初级绕组采用两层或更低的层数绕制。这样可以减小初级绕组的电容并降低变压器的漏感。在初级绕组的层间增加一层胶带可以将初级绕组电容减小四倍。这一点对PRIMARYFINISHLEAD(WITHSLEEVING)REINFORCEDINSULATIONBASICINSULATIONPINMARGIN(4