电源适配器变压器的现状、发展与要求

电源适配器在市场发展中主要追求的指标是效率高､体积小(轻薄短小)､成本低,因此对其中采用的电子变压器也主要考虑这几方面的要求

  1.效率

  电源适配器要求效率高的主要原因是节能和环保,也就是“绿色电源”的概念｡由于电源适配器的应用量大､面广,可以显著减少所需的电能,减少发电厂数量,减少发电厂排放的废气､废水和灰尘对环境的污染｡现在要求100W以下的小功率直流电源适配器的效率超过85%,中大功率电源适配器的效率超过90%｡变压器和电感器的损耗一般占电源适配器的15%左右｡要求变压器效率超过95%~98%,其原因是要求减少电源适配器的待机损耗｡因为变压器的空载损耗和空载电流是造成待机损耗的主要原因之一｡现在电源适配器的待机损耗要求小于10%,因此变压器空载损耗只能小于5%,最好小于2%｡效率高,发热小,可减少散热面积和体积｡

  2.体积

  电源适配器追求轻､薄､短､小,是它在市场发展中的热门话题｡其中,变压器和电感器的小型化是最大的难点,受到国内外专家们的普遍关注｡表示它的指标是功率密度,希望能达到100W/in3以上｡

为了适应电源适配器小型化的需要,首先应提高工作频率,其次要改变结构｡工作频率提高到250kHz,比20~40kHz的功率密度会显著增加｡但是,高频损耗也显著增加,可改用新的磁性材料和线圈结构来解决｡高频电磁干扰也显著增加,可采用抗干扰滤波器和低磁滞伸缩材料来解决｡现在最高的工作频率已达到25~30MHz｡1~2MHz在小型直流电源适配器中已比较普遍

  变压器结构正经历三个更新换代｡第一是平面变压器,其体积和重量比立体变压器(普通变压器)减少80%,已形成5W~20kW､20kHz~2MHz的产品,效率典型值为98%｡第二是片式变压器,对低压大电流特别适用,高度(厚度)更进一步降低,电流可达100A以上｡它由个次级绕组和多个磁芯组成,代替以前的一个磁芯多个绕组｡多个磁芯的初级绕组串联,从而达到降压隔离的要求｡内部温升比平面变压器低,只有10℃左右｡可以装在额定温升更高的基板上工作｡第三次是薄膜变压器,其薄膜后高度低于1mm｡工作频率超过1MHz,达到10~100MHz｡由于采用集成电路工艺制造,成本并不增加｡它是电源适配器变压器的最新发展方向｡在现阶段,不同的应用范围和市场,从性能价格比出发,要求的变压器结构形式也不一样｡立体变压器仍然大量使用｡平面变压器已形成系列,正在推广｡片式变压器处于个别和小批量生产阶段｡薄膜变压器只是个别情况,仍处于研究开发阶段｡因此,不单要关注研究开发新的变压器,而且更要关注大量生产的变压器,改进某个部件和某个工艺环节也会取得良好的效益

3.成本

  电源适配器和任何商品一样,在市场发展中都要考虑成本｡电子变压器也回避不了成本问题｡

  降低电子变压器成本的第一个手段是设计其采用的原材料､结构形式,也对成本有决定性作用｡因此,在设计电源适配器的电子变压器时,一定要综合考虑电源的工作条件､原材料的水平和价格设计出物美价廉的电子变压器产品｡第二个手段是生产制造工艺｡应尽量采用工模具和机械加  减少加工工时,以减少生产成本｡在检测中,采用短时间即可确认产品性能的方法,减少检查工时｡加强管理,从备料到产品包装出厂,各个生产环节都尽量减少工时和费用｡第三个手段是减少生产的附加费用｡设计选用的原材料和配件尽可能通用,尽量缩短交货时间,减少产品成品库存量｡对检测中被剔除的产品进行处理,回收能用的原材料和配件｡

  电源适配器中使用的电感器,包括进线滤波､抗干扰滤波､储能､换向､缓冲､吸收噪声､输出滤波等电感器,比变压器数量更多｡对它们的要求,也可参照以上三点基本要求来考虑,这里就不再讨论了电子变压器是电源适配器主要服务对象之一｡电源适配器在中国有比较大的市场｡为了推进电源适配器市场的发展,对电子变压器提出了高效率､小体积､低成本的要求｡

  变压器领域的革新技术关键是降低变压器的成本,解决普通变压器的过热点､工艺复杂以及漏感高的问题｡新型扁平式变压器具有体积小､隔离好､密度高､功率大､漏感小及电流均分的特点｡这使它成为DC/DC电源中理想的部件｡比如说,一个普通的输出电压为5V､电流为150A的半桥式DC/DC电源,采用了这种部件后,该电源厚度仅为12mm｡其电源输出能力超过了所有的小外形电源｡此外,这种扁平式变压器的漏感极低､散热特好,比其他一半输出电流的电源在工作温度上要低得多｡同时,在满负载条件下,该电源的效率高达82%以上而该电源的变压器､电感器部件的效率为98.5%。

  目前的DC/DC电源广泛采用半桥､全桥和推挽式结构｡因此,采用体积小､漏感低､散热好及成本低的扁平式变压器,是一个绝佳的选择方案

  4普通变压器面临的挑战

  ①普通变压器在结构上采用单个磁芯､多匝的初级绕组,单个磁芯变压器无法满足电源大功率密度的要求｡因为单个磁芯中心只有一个过热点,散热能力差｡随着工作频率的增加,必须降低通过的磁通密度才能减少发热量｡而只有当尺寸缩小到无增益时,才可能获得较高的频率

  ②初级线圈匝数多,普通变压器是由多层线圈绕制的｡第一层与最底层之间有着相当大的电压差｡对于一个单匝线圈输出的普通变压器来说,其初级线圈的绕制匝数大约为32匝｡这一匝比使多层初级线圈存在漏感､趋肤效应､邻近效应以及线圈间电容等缺点

  ③漏感相当大｡目前,脉宽调制式变换器在开关波形中具有快速上升的特点｡这是由于在开关电路中所采用的普通变压器漏感大,这种开关波形就会产生电磁干扰｡对于一个理想(耦合得非常好)的变压器来说,所有的磁流穿过次级线圈时都应没有漏磁通｡对普通变压器来说,并不是初级线圈中产生的所有磁通都穿过次级线圈｡也就是说,初级线圈所产生的磁通并非穿过伴随次级线圈的所有绕线和导体｡线圈或导体未耦合的部分就产生了自感,并且该能量储存在“电感器”中,由于该“电感器”与主要功率传送电路无耦合,故不能完全满足在电源断电时对隔离度的要求｡另外,为使电磁干扰(EMI)达到更好的特性需要,电磁耦合的紧密要求也无法满足｡

④高频特性差｡在高频工作中,普通变压器过热,开关损耗增大｡,

⑤绕制工艺冗杂,封装体积大