脉冲变压器设计与制作指南

脈衝變壓器（PulseTransformer）講義Date：2001年6月12日Page1動作原理與計算結構說明脈衝變壓器的用途一般測試項目實際應用範例1.動作原理與計算：脈衝變壓器的動作與傳統的變壓器相同，只是因為它的E-T常數(註1)很小，只能承受很小的脈衝寬度，所以稱它為：脈衝變壓器，現在我用帛漢生產的DC/DC上用到的脈衝變壓器，來解釋其電氣原理：註1.：E-T常數是評量變壓器的係數（單位是：V–Second），定義該變壓器輸入端，可以承受多大的：電壓與工作時間寬的乘積，如果輸入端的訊號，其電壓與工作時間寬的乘積超過該數量的話，該變壓器將無法正常工作，其輸出訊號會『失真』。例如：該變壓器規格標示E-T常數=20μ（V-Second），表示：如果我們輸入電壓為10V方波時，訊號Hi的寬度最好小於2μSecond，否則訊號經過該變壓器之後，方波將會變形失真。E-T=係數*圈數*鐵心截面積*磁通密度相同鐵心，圈數繞越多，E-T常數越大，該道理可以從日常生活中得知，例如：早期從日本買回來的電視機，其變壓器是用100V設計的，回到台灣後，電壓為110V，除了變壓器的輸出電壓會升高外，變壓器的E-T常數不符，將會造成變壓器發燙。(a).線路圖電路中，T1的功能就是脈衝變壓器，當Q1或Q2導通時，輸入直流電壓跨在N1或N2，由於Q1與Q2會交替導通，對T1而言，就像交流電跨在N1與N2，鐵心的磁滯曲線會從第一象限，轉到第三象限，（B-H曲線）如下圖所示：脈衝變壓器（PulseTransformer）講義Date：2001年6月12日Page2(b).鐵心的B-H曲線此處的面積大小與損失成正比(c).施加於變壓器N1、N2電感上的電壓與磁通密度電壓值＊時間的面積與磁通密度成正比磁通密度與電壓的積分成正比(a).令磁通為Φ，加在繞組N1圈上的電壓V，根據法拉第定律，可以下式表示：dtdNVψ*=……………………………………………...（1-1）(b).將上式兩邊以半週期積分運算（所謂積分就是算這半週期T0~T1之電壓*時間的面積，就是剛才說的E-T常數），令Φ＝B*Ae（磁通量＝磁通密度*截面積），則其公式如下：[]BAedtVNT　　　　　*120=∫(+B=-B).………………..（1-2）積分的時間t係介於0～T／2（T0～T1）半個週期之內，此期間內之磁通密度變化，介於─B～＋B的2B範圍內，由式子（1-2）可以求得Q1導通時Q2導通時T0T1脈衝變壓器（PulseTransformer）講義Date：2001年6月12日Page3BAeNTV*2**2*　　　=…………………….………………..（1-3）　TBAeNV***4=…………….……………………..…..（1-4）∵T＝2*TON(Duty50%)及Tf1=，代入（1-4）後　TonBAeNV***2=……………...……………………..…..（1-5）　fBAeNV****4=…………..……………………..…..（1-6）從（1-5）式取出N後得到　BAeTonVN**2*=………………….…………..….………..…..（1-7）上式若磁通密度的單位為高斯（Gauss），Ae的單位為cm2，則（1-7）式又可寫作：V=4*N*Ae*B*f*10-8…………...…………………..（1-8）從（1-8）式可以知道：現在的CPU由5V轉成3.3V（V減小），振盪頻率升高（f增加），所以Ae可以變的比較小。上圖所用的架構是有中間抽頭，而且是直流輸入，磁通正負極來回跑，如果是計算沒有中間抽頭的變壓器時，因為磁通只有單邊飽和，計算式將會變成：V=2*N*Ae*B*f*10-8..…….………..…….…………..（1-9）如果輸入的波形是Sin波、三角波…..，計算式的係數將會有所差異。2.結構說明：2.1.鐵心選擇：PulseTransformer的鐵心是使用Ferrite材質，μ值大約4000以上，飽和磁通密度（BS）4100高斯（Gauss）左右，為了得到良好的訊號耦合效果及減少體積，鐵心的幾何形狀大都選用環形（TOROID），隨著傳送頻率的升高，鐵心的截面積（Ae）逐漸減小，從早期的T6*3*1.5（外徑*內徑*高）變成T4*2*1更減小到目前的T2.5*1.2*0.8，可以想見繞線的困難度是越來越高。2.2.繞線方式：依電氣規格要求，通常用到的方式如下：脈衝變壓器（PulseTransformer）講義Date：2001年6月12日Page4(a).初級與次級並繞，呈360°平均重疊繞(b).初級與次級分別於鐵心兩邊，各繞45~160°(c).初級與次級先絞線後，再平均繞到鐵心上初級與次級並繞初級與次級分別於鐵心兩邊3.脈衝變壓器的用途：3.1.不同『地』的訊號傳遞：電腦連線時，因為每台電腦的『地』電位不同，甲電腦的0、1訊號要傳遞給乙電腦時時，甲電腦的數位訊號必須先利用PulseTransformer調變成交流訊號（視電路架構而定），透過『PulseTransformer』隔離後，將交流訊號送到網路電纜，再連接到乙電腦，乙電腦接到調變過的交流訊號時，也必須透過『PulseTransformer』達到隔離的目的3.2.阻抗匹配：傳遞訊號的同軸電纜，會因為絕緣體材質、外部導體內徑、中心針的外徑…….等，而產生阻抗不同的特性阻抗(註2)情況，如果選用不適合的同軸電纜，或傳遞電路上的變壓器圈比錯誤，訊號將會因為同軸電纜的阻抗不匹配，而產生電線尾端訊號減弱甚至失真的情形。註2.：特性阻抗（CharacteristicImpedance）：一般日常生活接觸到的例子如：電視天線有75Ω（傳統的接八木天線的室外天線）、300Ω（第四台的同軸電纜線）兩種，就直流而言，他們都是銅線，所以直流阻抗（DCR）均很小，趨近於零，但是對視頻訊號而言，卻有75Ω與300Ω的差異。以示波器的BNC線50Ω為例，它之所以被稱為50Ω，是因為該型同軸電纜在77Ω時，具有最低的訊號衰減，而在30Ω時，具有最大的功率輸出，如下圖所示：脈衝變壓器（PulseTransformer）講義Date：2001年6月12日Page5而50Ω為77Ω與30Ω之間的折衷值。當不同的阻抗要連接在一起時，利用變壓器的圈數比是最簡單方式，其原理如下：V1：輸入交流訊R1：交流訊號的輸出阻抗R2：傳輸線路的交流阻抗N1、N2：脈衝變壓器的初次級圈數L1、L2：初次級的電感值變壓器的工作原理就是由N1、N2間的互感產生，計算步驟如下：1.當交流訊號加到N1時，在線圈中產生磁場變化，根據：法拉第定律　ψdtdNV*=，變壓器初級的自感電動勢為…….ψdtdNV1*11=…………….(3-1)2.因為N2與N1繞在同一個環形鐵心上，N2也將產生互感電動勢…ψdtdNV21*22=……(3-2)3.ψ21是由ψ1衍生而來，兩者互成比例，在理想狀況下，ψ21＝ψ1，但通常ψ21＜ψ1，先定義耦合常數　ψψ121=K（通常K＜1），代入(3-2)式後，得到….ψdtdNKV1*2*2=…….(3-3)4.將(3-3)與(3-1)相除，並假設K＝1，得到……………………　1212NNVV=………...….(3-4)訊號衰減曲線最大功率傳輸曲線脈衝變壓器（PulseTransformer）講義Date：2001年6月12日Page65.假設變壓器沒有功率損失，輸出功率=輸入功率ie.　2*21*1IVIV==2112IIVV=代入(3-4)式，得到………….211212IINNVV==　…………….(3-5)6.現在先忽略線圈的內阻，初級電流111RVI==111IVR=，次級電流　222RVI==222IVR=，將22112*21221121⎟⎠⎞⎜⎝⎛===NNIIVVIVIVRR　……………….(3-6)式(3-6)的意義解釋如下：(訊號源的內阻，如果與從變壓器輸入端看進去的阻抗相等時，會有最大功率輸出)(a).如果訊號源的內阻R1=50Ω，變壓器次級接的傳輸線，其特性阻抗=50Ω，則1212=⎟⎠⎞⎜⎝⎛　NN亦即N1：N2=1：1…………………………………………….輸出端阻抗相同=圈數相同(b).如果訊號源的內阻R1=50Ω，變壓器次級接的傳輸線，其特性阻抗=100Ω，則5.010050212==⎟⎠⎞⎜⎝⎛　NN亦即414.1:12:12:1==　NN….輸出端阻抗較大=次級圈數增加(c).如果訊號源的內阻R1=50Ω，變壓器次級接的傳輸線，其特性阻抗=25Ω，則22550212==⎟⎠⎞⎜⎝⎛　NN亦即1:414.11:22:1==　NN…………….…………..…輸出端阻抗較小=次級圈數降低4.一般測試項目：4.1.TurnRatio……………………………初級與次級圈數比信號發生器示波器(1).利用標準樣品與待測品，將初級相串連，於次級測量電壓值(2).正常品於次級測量到的電壓應該為零4.2.PrimaryInductance(O.C.L.)………..初級電感值4.3.LeakageInductance………………..『漏感』：將次級短路後，初級所量測到的電感值4.4.InsertionLoss……………………….『插入損失』：以原先初次級短路為基準（0dB），加入變壓器後，訊號在變壓器上能量衰減的量，數值越大，表示衰減越多標準品待測品脈衝變壓器（PulseTransformer）講義Date：2001年6月12日Page7(1).測試前先歸零4.5.ReturnLoss…………………………..『反射損失』：反射功率與輸入功率的比值，換個方向來看，沒有反射的訊號，就是輸出的訊號，可以視同輸出信號與輸入信號大小的比值，當不接變壓器時（開路），對輸入訊號源而言，其反射功率最大，『反射損失』最大，通常希望『反射損失』越小越好，測試方式與InsertionLoss相同。4.6.Cww…………………………………..初次級間的雜散電容，將會隨繞線方式而不同4.7.CrossTalk……………………………『串音』是信號從一通道進入另一相鄰通道的耦合能量，單位用（分貝）表示，該數值就是量測其相互干擾的比率，越小越好。HP871250:100BALUN100:50BALUNRR(1).儀器上讀出串音能量4.8.DifferentialtoCommonModeRejection：『共模抑制比』是用來定義：差模與共模信號變化比例，在信號通道中，共模信號用地線連接，共模抑制比是因特殊的頻率範圍而被定義。HP871250:100BALUN100:50BALUN待測品通道(2)通道(1)脈衝變壓器（PulseTransformer）講義Date：2001年6月12日Page8HP871250:100BALUN100:50BALUN(1).儀器上讀出共模抑制比5.實際應用範例：5.1.雙向資料的傳輸………….T1,T2稱為Hybridtransformer，作為阻抗匹配用5.2.單極=雙極轉換線路在同一部機器中，因為共地的關係，訊號都是『單極性』，但若要作為傳輸線訊號時，則最好轉成『雙極性』，可以減少失真、串音（Cross-Talk）(a).單極性脈波(a).雙極性脈波待測品脈衝變壓器（PulseTransformer）講義Date：2001年6月12日Page9回頁首=