淺談脈沖驅動變壓器

 在開關電源設計中，常常會用到驅動變壓器來實現(xiàn)隔離、浮地、增大驅動能力等目的，是電源中非常重要的一部分，如果設計不好直接決定整個項目的成敗，以及電源產品的品質好壞。

1、采用驅動變壓器的原因

在開關電源設計中有較常用的電路拓撲：外驅BUCK、外驅BOOST、推挽、半橋、全橋、雙管反激、雙管正激等，這些電路拓撲中的開關管需要浮地、或互補、或同頻同相同幅驅動，在手頭只有較常規(guī)的單輸出PWM控制芯片，又不想再增加成本引進新驅動芯片的情況下，采用驅動變壓器是最好的選擇，它不僅用作開關電源半導件元器件的驅動電脈沖(如功率MOSFET或IGBT)，還可用作電壓隔離和阻抗匹配。此外，在二次側同步整流管的驅動電路也常常選擇使用驅動變壓器來實現(xiàn)他激驅動控制。其實大多數開關電源加驅動變壓器的最主要目的是為了隔離和實現(xiàn)浮地，上管跟下管不共地時，IC只能直接推動下管，上管就必須隔離驅動了。其實，現(xiàn)在也有很多專用的隔離驅動IC，也可以獲得和驅動變壓器相近的效果，但是這種集成的隔離驅動IC有些明顯的缺陷，就是導通和關斷有很大的延遲、需要增加額外的驅動電源、以及設計難度大。而驅動變壓器則不同，這種變壓器耦合方式的優(yōu)點是延遲非常低，無需增加額外的驅動電源，而且通過匝比設計，還可以在很高的壓差下工作。相比于專用的隔離驅動IC，這種變壓器驅動可設計的方式更多樣，可以隨時調整。

圖1 驅動變壓器電路圖

2、磁芯的選擇

典型的脈沖驅動變壓器一般多是用鐵氧體磁心設計制造的，這樣可以降低成本。高頻條件下鐵氧體具有很高電阻率，渦流損耗小，價格低，是高頻變壓器磁芯的首選，缺點是磁導率通常較低。常用磁心的外形大多數是EE、EER、ETD型。它們都是由“E”型磁心和相應的骨架組成。這些骨架可以采用表面安裝法或通孔安裝法裝配。在有些情況下，也采用環(huán)形磁心設計制作驅動變壓器，這樣的優(yōu)點是漏感很小，但磁環(huán)的繞制工藝比較麻煩由于是采用小磁環(huán)，所以必須要人工繞制，成本會增加。所以不同應用者：有的看性能、有的看價格、有的看性價比，不同的使用者關注點不一樣。

3、驅動變壓器的設計和關鍵參數分析

驅動變壓器的計算可以參照正激的方式設計，初級匝數

，通常情況下，匝比一般選擇1:1即可。

在設計驅動變壓器時，其關鍵電氣參數中的兩個參數(漏電感值和繞組電容量)是需要控制的。因為大的漏電感值和繞組電容量可能引起諸如相位漂移、時間誤差、噪聲和上沖等不合乎使用要求的輸出信號。理想情況下，驅動變壓器是不儲存能量的。不過實際上驅動變壓器還是儲存了少量能量在線圈和磁芯的氣隙形成的磁場區(qū)域，這種能量表現(xiàn)為漏感和磁化電感。盡管MOS管驅動器變壓器的平均功率很小，但是在開通和關閉的時候傳遞很高的電流，為了減少延遲，保證驅動的穩(wěn)定、安全可靠，也為了抑制高頻振蕩，保持低漏感仍然是必須的。對于驅動變壓器繞組的電容量我們希望其值小于100pF。布板的時候盡量讓驅動靠近開關管，高頻電流回路面積盡量做小，控制電路盡量遠離高頻回路。

我們知道繞組越接近磁心表面漏感越小，繞組匝數越少，越容易作到這點;另外磁心的電感系數越高、磁導率越高，導磁能力越好，漏感越小。所以大多驅動變壓器、網絡變壓器都用高導材料來做。另外在一個變壓器中分布電容和漏感是兩個矛盾的參數，但是通過繞制方法可以折中處理。對于上升沿的時間和下降沿的時間，磁心材料尤其是繞制工藝是非常關鍵的。

圖2 驅動變壓器的微等效電路圖

從圖2可以看出，負載等效轉換后是和勵磁電感并聯(lián)的，我們所希望的是能量都加在負載上，那么最好是要求勵磁電感無窮大最好，但是實際不可能的。驅動變壓器這種本身功率并不是很大的情況，尤其要求勵磁電感要大些，不然勵磁電流大了，那么驅動變壓器的效率就小了。驅動變壓器、網絡變壓器等都屬于弱信號類變壓器，傳輸功率小、信號弱，這類變壓器和大家最熟悉的開關電源功率類變壓器差別較大，因此一定要區(qū)別對待。像這些弱信號變壓器更加關注的是變壓器波形的完整性，也就特別要關注微等效電路。相對開關電源功率類變壓器，信號變壓器更敏感，設計和工藝部分要求嚴格。

4、驅動變壓器的繞制

驅動變壓器主要作用是隔離驅動，將波形傳遞給需要浮地驅動的MOSFET，如果繞制工藝設計不好，會導致波形嚴重失真，造成很大的干擾，影響整個產品的效率與EMC。驅動變壓器的電流并不大，一般對趨膚效應與臨近效應考慮得不多，主要考慮的是耦合效果，也就是說對信號傳遞的不失真度和穩(wěn)定性。繞組在弱耦合狀態(tài)下會產生漏電感。繞組的匝數較多以及在制造過程中繞組的線匝排列不均勻時都將產生大的繞組電容量。在變壓器的電氣參數設計階段和規(guī)范的制造過程中，可以保證漏感減至最小值。那接下來就以單端雙管正激的驅動變壓器為例，來說說其繞制方法。

圖3 初級-次級繞法 圖4 次級包初級繞法

圖3這個是普通的初級-次級繞法。這樣的變壓器繞制工藝簡單，繞組的用銅量少，成本低廉。但是缺點也明顯，當用于傳輸的波形頻率較高時，特別是大功率電源的驅動時，容易產生失真，上升沿與下降沿時間變長，且有明顯的振蕩。針對這樣的情況，推薦使用次級包初級，初級包次級，三明治繞法等幾種繞制方法來改進，如圖4、圖5和圖6所示。

圖5 初級包次級繞法 圖6 三明治繞法

如果要采用磁環(huán)繞制，能在一層內繞完初次級的所有線圈是最好的，而且初次級圈數相等是漏感最小的，如果初次級圈數不等，也要讓初次級都能均勻分布在整個窗口上。也就是說初級或者次級緊密排繞一層繞不滿整個窗口，就要均勻分開繞，讓初級和次級整個繞組剛好能排滿整個窗口。實際不一定非要只繞一層，只要均勻排滿整個窗口，就算初次級各占一層，漏感也不會太大，一般驅動也夠用了，除非對驅動速度要求極高。