开关电源变压器的设计与开关电源变压器啸叫原因

　　开关电源变压器是加入了开关管的电源变压器，在电路中除了普通变压器的电压变换功能，还兼具绝缘隔离与功率传送功能一般用在开关电源等涉及高频电路的场合。开关电源变压器分单激式开关电源变压器和双激式开关电源变压器，两种开关电源变压器的工作原理和结构并不是一样的。

　　

　　骨架材料：开关变压器骨架与一般的变压器骨架不同，除了作为线圈的绝缘与支撑材料外，还承担了整个变压器的安装固定和定位的作用，因此制作骨架的材料除了满足绝缘要求外，还应有相当的抗拉强度，同时为了承受引脚的耐焊接热，要求骨架材料的热变形温度高于200℃，材料必须达到阻燃，且还应加工性好，易于加工成各种形状。

　　开关电源变压器的设计：

　　开关电源变压器是开关电源中的核心部件，作用有三：磁能转换、电压变换和绝缘隔离。由于开关变压器的工作频率很高，因此它的体积和重量比工频变压器大为缩小，同时变压器的分布参数亦不能忽略。设计时需要考虑磁芯材料选择，磁芯与线圈的结构，绕制工艺等。

　　开关电源变压器工作于高频状态，分布参数有漏感、分布电容和电流趋肤效应。一般根据开关电源电路设计的要求提出漏感和分布电容限定值，在变压器的线圈结构设计中实现，而趋肤效应则作为选择导线规格的条件之一。

　　开关电源变压器的工作状态与开关型功率变换器的电路形式有关，一般根据功率大小，使用要求，采用不同形式的功率变换器。不同的电路形式，开关电源变压器工作状态也不同，对开关电源变压器也提出了不同的设计要求。

　　变换器形式有：双极性（推挽式、全桥式、半桥式），单端正激式，单端反激式等。

　　开关电源变压器中使用的是软磁材料。比如：铁氧体材料。铁氧体材料很容易加工成各种形状，可根据开关变压器的电路类型、使用要求、功率等级、经济指标等选用合适的磁芯形状。磁芯型号主要有：EE、EI、EC、ETD、G、GK、H、HQ、UY、UF、PM、RM。每种型号又有很多尺寸规格可以选择。

　　开关电源变压器参数计算：漏感计算、分布电容计算、穿透深度（导线选择）、交流电阻计算、电流有效值。

　　

　　由于一次侧和二次侧绕组间寄生电容的存在，变压器“开关”时，在分界处存在dV/dt，将“静默层”布置在绝缘胶带的两侧，即一次侧和Vin相连的一端，二次侧和地相连的一端，分别布置在绝缘胶带两侧，可以减小分界处寄生电容的dV/dt。由于场效应管的漏极电压是波动的，将其绕为骨架的第一层，这样外层可屏蔽内层发射的电磁场。图1和图2给出了两种低噪声的绕线技术，可应用在典型的反激变换器变压器中。

　　

　　方法一：如图1所示，二次侧绕组与二极管连接的末端必须紧邻绝缘胶带，因此绝缘胶带的两端将有一定大小的dV/dt，但该dV/dt比一次侧绕组的漏极相连端与绝缘胶带相邻时小得多。此变压器的优点是二次侧绕组的“静默端”位于最外层，它本身就能很好的屏蔽变压器的辐射。

　　

　　方法二：如图2所示，使两个静默端与绝缘胶带相邻，此变压器的优点是穿越边界的共模噪声减小，但变压器的外部噪声比较大，需要在外部绕上铜皮屏蔽（即法拉第屏蔽）。

　　

　　在变压器骨架窗口裕量充足的情况下，通常还需要在变压器内部一次侧和二次侧之间使用铜皮“隔离”，从而屏蔽绕组产生的噪声。如果窗口裕量不是很充分，可以考虑将一次侧的IC供电绕组作为法拉第屏蔽。如图3所示，绕组的两端均交流耦合至一次侧地，使一次侧主绕组发射的容性噪声减小，因此传导至二次侧的共模噪声大大减小。使用法拉第屏蔽的缺点是漏感大大增加，从而降低了效率。所以我们在反激变换器变压器内部一般不使用任何常规的屏蔽，但经常使用法拉第屏蔽。

　　在为客户设计定制产品时，客户要求在不加外围辅助电路的情况下，要求传导过CLASS B，根据方法一，在结合使用传统的“三明治绕法”不仅解决了传导的问题，还解决了只用方法一带来的变压器漏感大的问题，从而提高了电源的稳定性，也达到了客户的要求。该定制产品绕线顺序如表1所示，传导结果如图4所示，峰值最少有20dB的裕量，平均值也有10dB的裕量。

　　

　　

　　对于带变压器拓扑结构的开关电源来说，变压器的电磁兼容性（EMC）设计对整个开关电源的EMC水平影响较大。通常情况下，加装电源线滤波器是抑制传导EMI的必要措施。但是，仅仅依靠电源输入端的滤波器来抑制干扰往往会导致滤波器中元件的电感量增加和电容量增大。而电感量的增加使体积增加、电容量的增大受到漏电流安全标准的限制。本文提出了新的变压器设计方法。不仅能减少电源线滤波器的体积，对传导电磁干扰（EMI）的抑制能力更强，且能降低变压器的制作成本和工艺复杂程度。

　　开关电源变压器啸叫原因：

　　开关电源变压器发生啸叫的原因主要有四个方面：变压器的工艺问题、变压器的环路问题、变压器的铁心问题以及开关电源的负载问题，下面一一分析。

　　1、变压器的工艺问题

　　①浸漆烘干不到位，导致磁芯不牢固引起机械振动而发出响声；

　　②气隙的长度不适合，导致变压器的工作状态不稳定而发出响声；

　　③线包没有绕紧也可能导致响声；

　　④磁芯组合有气隙存在，高频时引起空气振动而发出响声（变压器如果经过真空全浸，一般不会发声）。

　　2、变压器的环路问题

　　变压器的环路问题即指变压器的环路发生振荡从而引起变压器发生啸叫。

　　①电路板布线不当，从而造成干扰引发振荡，导致响声；

　　②反馈回路参数设置不当，导致环路不稳定以致产生振荡而发出响声；

　　③环路中元器件的质量问题，如输入滤波电容容量不足，输出整流快恢复二极管质量不好，功率MOS管质量不好，RCD反冲吸收回路的高压电容或二极管质量不好等等，这些问题都有可能导致震荡而引起响声。

　　3、变压器的铁心问题

　　变压器铁心发生饱和时，线圈中电流增大，变压器发热并产生自激震荡，线圈的振荡引起周围空气的振动从而发出响声。

　　4、开关电源的负载问题

　　①开关电源在空载或轻载的情况下，在某些工作点处会发生振荡现象，表现为变压器的啸叫和输出的不稳定。

　　发生这种现象是由于空载/轻载时，开关瞬时开通时间过大从而造成输出能量太大，进而电压过冲也很大，需要较长的时间去恢复到正常电压，因此开关需停止工作一段时间，这样开关就工作于间歇性工作模式，使变压器发生较低频率（有规律的间歇性全截止周期或占空比剧烈变化的频率）的振动。

　　②变压器工作在严重的超载状态，时刻都有烧毁的可能——这就是许多电源烧毁前“惨叫”的由来。