電源適配器變壓器的現(xiàn)狀、發(fā)展與要求

電源適配器在市場(chǎng)發(fā)展中主要追求的指標(biāo)是效率高?體積小(輕薄短小)?成本低,因此對(duì)其中采用的電子變壓器也主要考慮這幾方面的要求

  1.效率

  電源適配器要求效率高的主要原因是節(jié)能和環(huán)保,也就是“綠色電源”的概念?由于電源適配器的應(yīng)用量大?面廣,可以顯著減少所需的電能,減少發(fā)電廠數(shù)量,減少發(fā)電廠排放的廢氣?廢水和灰塵對(duì)環(huán)境的污染?現(xiàn)在要求100W以下的小功率直流電源適配器的效率超過(guò)85%,中大功率電源適配器的效率超過(guò)90%?變壓器和電感器的損耗一般占電源適配器的15%左右?要求變壓器效率超過(guò)95%~98%,其原因是要求減少電源適配器的待機(jī)損耗?因?yàn)樽儔浩鞯目蛰d損耗和空載電流是造成待機(jī)損耗的主要原因之一?現(xiàn)在電源適配器的待機(jī)損耗要求小于10%,因此變壓器空載損耗只能小于5%,最好小于2%?效率高,發(fā)熱小,可減少散熱面積和體積?

  2.體積

  電源適配器追求輕?薄?短?小,是它在市場(chǎng)發(fā)展中的熱門話題?其中,變壓器和電感器的小型化是最大的難點(diǎn),受到國(guó)內(nèi)外專家們的普遍關(guān)注?表示它的指標(biāo)是功率密度,希望能達(dá)到100W/in3以上?

為了適應(yīng)電源適配器小型化的需要,首先應(yīng)提高工作頻率,其次要改變結(jié)構(gòu)?工作頻率提高到250kHz,比20~40kHz的功率密度會(huì)顯著增加?但是,高頻損耗也顯著增加,可改用新的磁性材料和線圈結(jié)構(gòu)來(lái)解決?高頻電磁干擾也顯著增加,可采用抗干擾濾波器和低磁滯伸縮材料來(lái)解決?現(xiàn)在最高的工作頻率已達(dá)到25~30MHz?1~2MHz在小型直流電源適配器中已比較普遍

  變壓器結(jié)構(gòu)正經(jīng)歷三個(gè)更新?lián)Q代?第一是平面變壓器,其體積和重量比立體變壓器(普通變壓器)減少80%,已形成5W~20kW?20kHz~2MHz的產(chǎn)品,效率典型值為98%?第二是片式變壓器,對(duì)低壓大電流特別適用,高度(厚度)更進(jìn)一步降低,電流可達(dá)100A以上?它由個(gè)次級(jí)繞組和多個(gè)磁芯組成,代替以前的一個(gè)磁芯多個(gè)繞組?多個(gè)磁芯的初級(jí)繞組串聯(lián),從而達(dá)到降壓隔離的要求?內(nèi)部溫升比平面變壓器低,只有10℃左右?可以裝在額定溫升更高的基板上工作?第三次是薄膜變壓器,其薄膜后高度低于1mm?工作頻率超過(guò)1MHz,達(dá)到10~100MHz?由于采用集成電路工藝制造,成本并不增加?它是電源適配器變壓器的最新發(fā)展方向?在現(xiàn)階段,不同的應(yīng)用范圍和市場(chǎng),從性能價(jià)格比出發(fā),要求的變壓器結(jié)構(gòu)形式也不一樣?立體變壓器仍然大量使用?平面變壓器已形成系列,正在推廣?片式變壓器處于個(gè)別和小批量生產(chǎn)階段?薄膜變壓器只是個(gè)別情況,仍處于研究開發(fā)階段?因此,不單要關(guān)注研究開發(fā)新的變壓器,而且更要關(guān)注大量生產(chǎn)的變壓器,改進(jìn)某個(gè)部件和某個(gè)工藝環(huán)節(jié)也會(huì)取得良好的效益

3.成本

  電源適配器和任何商品一樣,在市場(chǎng)發(fā)展中都要考慮成本?電子變壓器也回避不了成本問(wèn)題?

  降低電子變壓器成本的第一個(gè)手段是設(shè)計(jì)其采用的原材料?結(jié)構(gòu)形式,也對(duì)成本有決定性作用?因此,在設(shè)計(jì)電源適配器的電子變壓器時(shí),一定要綜合考慮電源的工作條件?原材料的水平和價(jià)格設(shè)計(jì)出物美價(jià)廉的電子變壓器產(chǎn)品?第二個(gè)手段是生產(chǎn)制造工藝?應(yīng)盡量采用工模具和機(jī)械加  減少加工工時(shí),以減少生產(chǎn)成本?在檢測(cè)中,采用短時(shí)間即可確認(rèn)產(chǎn)品性能的方法,減少檢查工時(shí)?加強(qiáng)管理,從備料到產(chǎn)品包裝出廠,各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都盡量減少工時(shí)和費(fèi)用?第三個(gè)手段是減少生產(chǎn)的附加費(fèi)用?設(shè)計(jì)選用的原材料和配件盡可能通用,盡量縮短交貨時(shí)間,減少產(chǎn)品成品庫(kù)存量?對(duì)檢測(cè)中被剔除的產(chǎn)品進(jìn)行處理,回收能用的原材料和配件?

  電源適配器中使用的電感器,包括進(jìn)線濾波?抗干擾濾波?儲(chǔ)能?換向?緩沖?吸收噪聲?輸出濾波等電感器,比變壓器數(shù)量更多?對(duì)它們的要求,也可參照以上三點(diǎn)基本要求來(lái)考慮,這里就不再討論了電子變壓器是電源適配器主要服務(wù)對(duì)象之一?電源適配器在中國(guó)有比較大的市場(chǎng)?為了推進(jìn)電源適配器市場(chǎng)的發(fā)展,對(duì)電子變壓器提出了高效率?小體積?低成本的要求?

  變壓器領(lǐng)域的革新技術(shù)關(guān)鍵是降低變壓器的成本,解決普通變壓器的過(guò)熱點(diǎn)?工藝復(fù)雜以及漏感高的問(wèn)題?新型扁平式變壓器具有體積小?隔離好?密度高?功率大?漏感小及電流均分的特點(diǎn)?這使它成為DC/DC電源中理想的部件?比如說(shuō),一個(gè)普通的輸出電壓為5V?電流為150A的半橋式DC/DC電源,采用了這種部件后,該電源厚度僅為12mm?其電源輸出能力超過(guò)了所有的小外形電源?此外,這種扁平式變壓器的漏感極低?散熱特好,比其他一半輸出電流的電源在工作溫度上要低得多?同時(shí),在滿負(fù)載條件下,該電源的效率高達(dá)82%以上而該電源的變壓器?電感器部件的效率為98.5%。

  目前的DC/DC電源廣泛采用半橋?全橋和推挽式結(jié)構(gòu)?因此,采用體積小?漏感低?散熱好及成本低的扁平式變壓器,是一個(gè)絕佳的選擇方案

  4普通變壓器面臨的挑戰(zhàn)

  ①普通變壓器在結(jié)構(gòu)上采用單個(gè)磁芯?多匝的初級(jí)繞組,單個(gè)磁芯變壓器無(wú)法滿足電源大功率密度的要求?因?yàn)閱蝹€(gè)磁芯中心只有一個(gè)過(guò)熱點(diǎn),散熱能力差?隨著工作頻率的增加,必須降低通過(guò)的磁通密度才能減少發(fā)熱量?而只有當(dāng)尺寸縮小到無(wú)增益時(shí),才可能獲得較高的頻率

  ②初級(jí)線圈匝數(shù)多,普通變壓器是由多層線圈繞制的?第一層與最底層之間有著相當(dāng)大的電壓差?對(duì)于一個(gè)單匝線圈輸出的普通變壓器來(lái)說(shuō),其初級(jí)線圈的繞制匝數(shù)大約為32匝?這一匝比使多層初級(jí)線圈存在漏感?趨膚效應(yīng)?鄰近效應(yīng)以及線圈間電容等缺點(diǎn)

  ③漏感相當(dāng)大?目前,脈寬調(diào)制式變換器在開關(guān)波形中具有快速上升的特點(diǎn)?這是由于在開關(guān)電路中所采用的普通變壓器漏感大,這種開關(guān)波形就會(huì)產(chǎn)生電磁干擾?對(duì)于一個(gè)理想(耦合得非常好)的變壓器來(lái)說(shuō),所有的磁流穿過(guò)次級(jí)線圈時(shí)都應(yīng)沒(méi)有漏磁通?對(duì)普通變壓器來(lái)說(shuō),并不是初級(jí)線圈中產(chǎn)生的所有磁通都穿過(guò)次級(jí)線圈?也就是說(shuō),初級(jí)線圈所產(chǎn)生的磁通并非穿過(guò)伴隨次級(jí)線圈的所有繞線和導(dǎo)體?線圈或?qū)w未耦合的部分就產(chǎn)生了自感,并且該能量?jī)?chǔ)存在“電感器”中,由于該“電感器”與主要功率傳送電路無(wú)耦合,故不能完全滿足在電源斷電時(shí)對(duì)隔離度的要求?另外,為使電磁干擾(EMI)達(dá)到更好的特性需要,電磁耦合的緊密要求也無(wú)法滿足?

④高頻特性差?在高頻工作中,普通變壓器過(guò)熱,開關(guān)損耗增大?,

⑤繞制工藝冗雜,封裝體積大