AC-DC｜設計篇
設計絕緣型返馳式轉換器電路：設計變壓器（設計構造）－之1
2017.03.09
重點
・計算出數值後，進入具體設計變壓器構造的階段。
・計算出數值後，若能大略設計出構造，可望在變壓器廠商等的協助下，設計出最終版本。
在算出前項的數值後，接著進入設計變壓器T1構造的階段。對平時只有設計電子零件的人們來說，組合鐵芯和線軸、線圈，且必須具備經驗法則的設計變壓器，簡直就像是異世界一樣。而且，變壓器是電源設計，尤其是AC-DC轉換器、絕緣轉換器非常重要的零件，因此至少要理解其步驟和進行討論。
依下列順序設計變壓器T1的構造。
①決定線軸
②確認有效捲軸
③決定線圈構造
④沿面距離和絕緣膠帶
⑤決定線材
⑥配線圖、層構造、線圈規格
⑦決定變壓器規格
本節「之1」將說明①～④，下一節「之2」則說明⑤～⑦。
| 鐵芯 | JFE MB3 EER28.5A 或替換品 |
| Lp | 249μH |
| Np | 30圈 |
| Ns | 6圈 |
| Nd | 8圈 |
① 決定線軸
線軸如圖所示，分成直立式和橫式（有的因為鐵芯尺寸，只能選擇其中一種）。依照高度和安裝面積來決定使用哪一種。
另外，引腳數也是考量因素之一。表格內是利用計算數值項目所計算出來的圈數。我們選擇只捲繞表格線圈數的引腳數。
② 確認有效捲軸
接著，從線軸的規格來取得有效捲軸。紅色箭頭所指的圖片斜線部分，是實際上能夠捲覆線圈的區域。這個區域會因為線軸而異，因此請利用所用線軸的圖面仔細確認。
照片是實物，紅色箭頭部分為有效捲軸。此次選擇的鐵芯、JFE EER28.5為J＝16.6mm、H＝4mm。
③ 決定線圈構造
線圈構造會對變壓器特性造成很大的影響。在此將介紹2種構造。
＜簡易構造＞
- 層數少 → 具成本優勢
- 連結度差 → 突波電壓上升、損耗增加
- 線軸引腳數 → 較少
＜三明治捲構成＞
- 層數少 → 注意各線圈的厚度
- 連結度優 → 降低突波電壓、損耗減少
- 線軸引腳數 → 變多
左側是最為簡單的構造。層數少具有成本優勢，但各線圈只有1層，連捲數多達34圈的Np線圈排成1列都無法整個包住，必須排成2列和3列，造成連結度不佳。
引腳數單側4個即可。此一構造適合用在輸出功率小，以及限制線軸引腳數單側4個的時候。
右側是稱為三明治捲的構造，利用一次側線圈Np1和Np2包夾其他線圈，能提升一次側線圈和其他線圈的連結度。但由於層數增加，捲軸厚度必須跟著增加，造成線圈引腳數最少單側5個。
其實線圈構造並沒有所謂正確的答案。追加其他特性時，應該花費一些時間試作，實際演練，在基本配線上安裝其他零件，組成電路，並且一邊確認特性，一邊找出最適合的構造。
④ 沿面距離和絕緣膠帶
考量符合安全規範時，必須根據變壓器一次側-二次側之間的沿面距離，確保絕緣無虞。沿面距離根據運轉電壓、使用環境污染程度、所使用的材料來決定。使用絕緣膠帶亦是確保沿面距離的方法之一。
在變壓器T1符合安全規範IEC60950的前提下，算出下述條件的沿面距離。
- 運轉電壓：300V
- 污染程度：2
- 材料群：Ⅲa（CTI<400）
- 符合IEC60950的必要最低沿面距離
基礎絕緣：3.2mm
加強絕緣：6.4mm（基礎絕緣×2） ←此次設計採用加強絕緣
從250V：2.5mm、300V:3.2mm
270V變成2.78mm，取整數為3mm。
加強絕緣為2倍的6mm。
※使用直立式線軸時，上部並無延長線，因此沿面距離可以為1/2、3mm。
出現多個和規範相關的用語，在此僅概略述說一下。詳細內容請參照規範資料。
- 污染度（Pollution Degree）以使用機器的場所內，空氣中灰塵等污染的狀況來分，共分成1～4程度。
- 污染度1：無污染或只產生乾燥、無法導電的污染。此種污染無任何影響。例如無塵室等場所內乾淨的空氣。
- 污染度2：只產生一般、無法導電的污染。但可能因為濃縮暫時能夠導電。例如控制箱內的電子機器，以及使用家電、事務機的場所。
- 污染度3：會產生具導電性的污染，或預期可能因為濃縮，而能夠導電的乾燥、非導電性污染。例加一般工廠內的環境。
- 污染度4：污染為具導電性的塵埃，或者會因為雨、雪等而持續導電的物質。例如室外等的環境。
- CTI（Comparative Tracking Index）比較留痕指數
- 氯化銨0.1％的溶液以30s的速度滴下1滴、50滴後，都不會出現痕跡的最大電壓即為CTI值。
- 根據CTI值分類成形材料（IEC 60664-1）
材料群Ⅰ：CTI600以上
材料群Ⅱ：CTI400以上600以下
材料群Ⅲa：CTI175以上400以下
材料群Ⅲb：CTI100以上175以下
※Ⅲa的線軸材料為一般常用的PM9820/住友Bakelite（苯酚）且 CTI < 400
接下來請接續「設計絕緣型返馳式轉換器電路：設計變壓器（設計構造）之2」。
【下載資料】 PWM返馳式轉換器設計範例
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AC-DC
基礎篇
設計篇
-
採用AC-DCPWM方式的返馳式轉換器設計方法概要
- 絕緣型返馳式轉換器的基本概念：所謂反馳式轉換器的特徵
- 絕緣型返馳式轉換器的基本概念：返馳式轉換器的運轉和緩衝
- 絕緣型返馳式轉換器的基本概念：所謂不連續模式和連續模式
- 設計步驟
- 決定電源規格
- 選擇設計上所使用的IC
- 所謂隔離型返馳式轉換器
- 絕緣型返馳式轉換器的基本概念：所謂開關AC-DC轉換
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：設計變壓器（算出數值）
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：設計變壓器（設計構造）－之1
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：設計變壓器（設計構造）－之2
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：決定主要零件－MOSFET相關之1
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：決定主要零件－MOSFET相關之2
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：決定主要零件－CIN和緩衝電路
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：決定主要零件−輸出整流器和Cout
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：決定主要零件−IC的VCC相關
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：決定主要零件−設定IC、其他
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：EMI對策和輸出雜訊對策
- 機板配線範例
- 彙整
- AC-DC 非隔離型降壓轉換器的設計案例概要
-
使用SiC-MOSFET的隔離型準諧振轉換器的設計案例 前言
- 設計中使用的電源IC：專為SiC-MOSFET最佳化
- 設計案例電路
- 變壓器T1的設計 其2
- 變壓器T1的設計 其1
- 主要零件的選型：MOSFET Q1
- 主要零件的選型：輸入電容和平衡電阻
- 主要零件的選型：用來設定過負載保護點切換的電阻
- 主要零件的選型：電源IC的VCC相關零件
- 主要零件的選型：電源IC的BO（Brown-out）引腳相關零件
- 主要零件的選型：緩衝電路相關零件
- 主要零件的選型：輸出整流二極體
- 主要零件的選型：輸出電容、輸出設定及控制零件
- 主要零件的選型：MOSFET閘極驅動調整電路
- 主要零件的選型：電流檢測電阻及各種檢測用引腳相關零件
- 主要零件的選型：EMI及輸出雜訊對策零件
- PCB板佈局範例
- 案例中的電路和零件清單
- 評估結果：效率和切換波形
- 小結
-
提高AC/DC轉換器效率的二次側同步整流電路設計 前言
- 設計步驟
- 用於設計的IC
- 電源規格和替代電路
- 同步整流電路部分：同步整流用MOSFET的選型
- 同步整流電路部分：電源IC的選擇
- 同步整流電路部分：週邊電路零件的選擇－DRAIN引腳的D1、R1、R2
- 同步整流電路部分：週邊電路零件的選型－MAX_TON引腳的C1、R3以及VCC引腳
- 分流穩壓器電路部分：週邊電路零件的選擇
- 故障排除(Trouble Shooting)①：當二次側MOSFET立即關斷時
- 故障排除(Trouble Shooting) ②：當二次側MOSFET在輕載時因諧振動作而導通時
- 安裝PCB板佈局相關的注意事項
- 總結
- 二極體整流和同步整流的效率比較
- 故障排除(Trouble Shooting) ③：當VDS2受突波影響超過二次側MOSFET的VDS耐壓時
評估篇
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