電源適配器變壓器的現狀、發展與要求

電源適配器在市場發展中主要追求的指標是效率高?體積小(輕薄短小)?成本低,因此對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能和環保,也就是“綠色電源”的概念?由于電源適配器的應用量大?面廣,可以顯著減少所需的電能,減少發電廠數量,減少發電廠排放的廢氣?廢水和灰塵對環境的污染?現在要求100W以下的小功率直流電源適配器的效率超過85%,中大功率電源適配器的效率超過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95%~98%,其原因是要求減少電源適配器的待機損耗?因為變壓器的空載損耗和空載電流是造成待機損耗的主要原因之一?現在電源適配器的待機損耗要求小于10%,因此變壓器空載損耗只能小于5%,較好小于2%?效率高,發熱小,可減少散熱面積和體積?

  2.體積

  電源適配器追求輕?薄?短?小,是它在市場發展中的熱門話題?其中,變壓器和電感器的小型化是較大的難點,受到國內外專家們的普遍關注?表示它的指標是功率密度,希望能達到100W/in3以上?

為了適應電源適配器小型化的需要,首先應提高工作頻率,其次要改變結構?工作頻率提高到250kHz,比20~40kHz的功率密度會顯著增加?但是,高頻損耗也顯著增加,可改用新的磁性材料和線圈結構來解決?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解決?現在較高的工作頻率已達到25~30MHz?1~2MHz在小型直流電源適配器中已比較普遍

  變壓器結構正經歷三個更新換代?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的產品,效率典型值為98%?第二是片式變壓器,對低壓大電流特別適用,高度(厚度)更進一步降低,電流可達100A以上?它由個次級繞組和多個磁芯組成,代替以前的一個磁芯多個繞組?多個磁芯的初級繞組串聯,從而達到降壓隔離的要求?內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1MHz,達到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較新發展方向?在現階段,不同的應用范圍和市場,從性能價格比出發,要求的變壓器結構形式也不一樣?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?片式變壓器處于個別和小批量生產階段?薄膜變壓器只是個別情況,仍處于研究開發階段?因此,不單要關注研究開發新的變壓器,而且更要關注大量生產的變壓器,改進某個部件和某個工藝環節也會取得良好的效益

3.成本

  電源適配器和任何商品一樣,在市場發展中都要考慮成本?電子變壓器也回避不了成本問題?

  降低電子變壓器成本的第一個手段是設計其采用的原材料?結構形式,也對成本有決定性作用?因此,在設計電源適配器的電子變壓器時,一定要綜合考慮電源的工作條件?原材料的水平和價格設計出物美價廉的電子變壓器產品?第二個手段是生產制造工藝?應盡量采用工模具和機械加  減少加工工時,以減少生產成本?在檢測中,采用短時間即可確認產品性能的方法,減少檢查工時?加強管理,從備料到產品包裝出廠,各個生產環節都盡量減少工時和費用?第三個手段是減少生產的附加費用?設計選用的原材料和配件盡可能通用,盡量縮短交貨時間,減少產品成品庫存量?對檢測中被剔除的產品進行處理,回收能用的原材料和配件?

  電源適配器中使用的電感器,包括進線濾波?抗干擾濾波?儲能?換向?緩沖?吸收噪聲?輸出濾波等電感器,比變壓器數量更多?對它們的要求,也可參照以上三點基本要求來考慮,這里就不再討論了電子變壓器是電源適配器主要服務對象之一?電源適配器在中國有比較大的市場?為了推進電源適配器市場的發展,對電子變壓器提出了高效率?小體積?低成本的要求?

  變壓器領域的革新技術關鍵是降低變壓器的成本,解決普通變壓器的過熱點?工藝復雜以及漏感高的問題?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?這使它成為DC/DC電源中理想的部件?比如說,一個普通的輸出電壓為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,在滿負載條件下,該電源的效率高達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?全橋和推挽式結構?因此,采用體積小?漏感低?散熱好及成本低的扁平式變壓器,是一個絕佳的選擇方案

  4普通變壓器面臨的挑戰

  ①普通變壓器在結構上采用單個磁芯?多匝的初級繞組,單個磁芯變壓器無法滿足電源大功率密度的要求?因為單個磁芯中心只有一個過熱點,散熱能力差?隨著工作頻率的增加,必須降低通過的磁通密度才能減少發熱量?而只有當尺寸縮小到無增益時,才可能獲得較高的頻率

  ②初級線圈匝數多,普通變壓器是由多層線圈繞制的?第一層與較底層之間有著相當大的電壓差?對于一個單匝線圈輸出的普通變壓器來說,其初級線圈的繞制匝數大約為32匝?這一匝比使多層初級線圈存在漏感?趨膚效應?鄰近效應以及線圈間電容等缺點

  ③漏感相當大?目前,脈寬調制式變換器在開關波形中具有快速上升的特點?這是由于在開關電路中所采用的普通變壓器漏感大,這種開關波形就會產生電磁干擾?對于一個理想(耦合得非常好)的變壓器來說,所有的磁流穿過次級線圈時都應沒有漏磁通?對普通變壓器來說,并不是初級線圈中產生的所有磁通都穿過次級線圈?也就是說,初級線圈所產生的磁通并非穿過伴隨次級線圈的所有繞線和導體?線圈或導體未耦合的部分就產生了自感,并且該能量儲存在“電感器”中,由于該“電感器”與主要功率傳送電路無耦合,故不能完全滿足在電源斷電時對隔離度的要求?另外,為使電磁干擾(EMI)達到更好的特性需要,電磁耦合的緊密要求也無法滿足?

④高頻特性差?在高頻工作中,普通變壓器過熱,開關損耗增大?,

⑤繞制工藝冗雜,封裝體積大