软磁铁氧体磁心应用与设计(八)
2009-03-06 11:01:55
来源：《国际电子变压器》2009年3月刊
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4.3 脉冲变压器磁芯的设计
4.3.1 脉冲变压器的一般要求
脉冲变压器可以认为是宽带变压器的一种特殊情况，显示脉冲的信息通常是分配在很宽的频带区域，因此宽带变压器磁芯设计的一些原理方法也可以适用。但是，脉冲变压器主要考虑波形传送问题，即要求尽可能不失真地传输周期性序列的矩形脉冲。当电压源发出一个矩形脉冲，在次级感应的脉冲电压开始并不突然上升，脉冲结束时也不突然下降，而要经过一定的时间过程，即有一个“脉冲上升时间 tr”“脉冲下降时间 tf”（见图 4-7），另外，脉冲顶部也不是水平的，而是随时间下降，即有一个顶部跌落（称“顶降”用 D 表示）。此外，上升时还有一个“上冲波形”，希望脉冲前沿特性“顶降”及“脉冲下降时间”，“反冲”等尽可能小。
顶降 D 可用下式表示：
(4.16)
式中τ— 脉冲宽度
L1— 电感
r — 内阻
可见，增大电感 L1，可使顶降 D 减小。
脉冲上升时间主要与漏感和分布电容有关，减小上升时间，一般讲应使分布电容 Cs 尽量小，电感 L1 尽量大。下降时间则主要受主电感所支配。
总之，为了得到良好的波形传输特性，要求变压器漏感和分布电容尽可能小，主电感必须大。
4.3.2 磁芯设计考虑
为了得到大的主电感 L1，要求脉冲变压器磁芯有大的磁导率；对于工作在稳态周期性单极性脉冲的磁芯来说，实际上要求有大的脉冲磁导率。图 4-8 示出单极性脉冲运行时反复磁化曲线示意图。其脉冲磁导率 μp 由下式表示：
(4.17)
对于弱磁场工作的脉冲变压器磁芯，即工作于磁化曲线性区域，μp 近似与 μi（初始磁导率）相同；但工作磁场增大时，由于磁化曲线非线性特征，μp 则与 μi 不同。图 4-9 示出 μp 与磁通密度 ΔB 的关系，可见 μp 有一个最大值。另外，μp 与温度的变化关系与 μi~θ 变化关系也不同，μi~θ 曲线在居里温度附近有明显的磁导率峰值；但在脉冲工作状态下，磁感应变化 ΔB 愈大，则此峰值愈不明显。图 4-10 示出最大磁感应变化 ΔBmax 与温度 θ 的关系曲线。图中 F1、F2、F3 分别表示不同的初始磁导率的材料，μi 分别为 3500、7000 和 10000。几种材料的 ΔB 均在某一温度时出现最大值，这是因为 Bm 随温度升高而下降，Br 却在某一温度时出现最小值，结果 ΔB=Bm-Br 值在该温度时出现最大值。另外，磁芯设置气隙，可使 Br 下降，有效磁通密度变化 ΔB 增大。
关于磁芯尺寸的选择，可按照下列计算方法近似确定：
(4.18)
式中 ΔB — 磁感应变化（特斯拉）
E — 电压（伏特）
τ — 脉冲持续时间（秒）
A — 磁芯截面积（m2）
N — 匝数
主电感 Lp 则由下式确定：
Lp=μ0μpN2A/l
式中 l— 磁路长度（m）
μ0— 磁性常数 μ0=4л×10-7（亨利/米）
两公式相结合，得到磁芯体积为：
(4.19)
式中，Lp 由脉冲顶降决定，则已知 μp 和 ΔB 可求得磁芯体积。关于磁芯材料的选择，除要求初始磁导率 μi 大以外，还要求 ΔB 大。见图 4-10 所示三种磁性材料中，F2（μ=7000）显示更大的 ΔB，更适合脉冲变压器应用。
对于大功率下使用的脉冲变压器，还要求磁芯本身发热小，为此要选择磁芯功率损耗低的铁氧体材料，有关磁芯设计和材料选择可参考功率变压器磁芯设计一节。
5 高频功率变压器磁芯
5.1 概述
功率变压器通常是指传送较大功率的变压器。功率变压器与前述的宽带变压器有不同的要求，宽频带变压器通常在低磁通密度下工作，变压器本身发热可不予考虑，主要考虑在宽频率范围内传输信号失真尽可能小；功率变压器则通常传输单一频率，或者在窄频带范围内传输，由于工作在高磁通密度范围，应主要考虑变压器温升不能太高，即要求变压器损耗小；在设计变压器磁芯和绕组时，要使得在一定允许温升条件下，传输给负载的功率尽可能大。
各种电子设备用的电源变压器，是一种典型的功率变压器。由于铁氧体材料的饱和磁感应强度比金属软磁材料低很多，所以低频电源变压器（如工频变压器）主要使用金属软磁材料。20 世纪 70 年代出现了开关式电源，电源变压器的工作频率提高到 20kHz 以上，而且随着电子设备轻、薄、小型化的要求，开关电源工作频率不断提高（目前开关频率 100-300kHz 已占主导地位）。众所周知，当磁芯在接近饱和点处工作时，损耗将随频率上升而增大，铁氧体材料是具有极高电阻率，高频损耗比金属磁低很多，因此对高频功率变压器来说，具有较高饱和磁通密度和低损耗的软磁铁氧体磁芯成为最佳的选择。
作为高频功率变压器，除了上述开关电源变压器外，还有各种显示器或电视机用的回扫变压器。回扫变压器的工作频率和传输功率均低于电源变压器，磁芯设计原理是相似的，因此，本章重点介绍开关电源变压器用铁氧体磁芯的要求和设计原理。
5.2 开关电源变压器
5.2.1 开关式电源分类及工作原理
20 世纪 70 年代发展起来的开关式电源，与过去由笨重矽钢片变压器组成的线性稳压电源相比，具有体积小、重量轻、稳压范围宽、转换效率高等优点，迅速在通信、计算机以及消费电子产品方面得到广泛采用。用途广泛的开关式电源主要包括 AC/DC 变换器和 DC/DC 变换器两大类。低功率的 AC/DC 电源（0-300w）主要用于消费电子产品和计算机。高功率的 AC/DC 电源（750-1500w）主要用于电信工业。随着移动通信、网络设备、便携式计算机等发展，目前生产比例较小的 DC/DC 电源的发展潜力和应用前景将更为广阔。
图 5-1 示出一个典型的 AC/DC 开关电源的基本原理方框图。
一个 50Hz 的正弦波交流电源输入，经过整流和滤波后产生一个不稳定的直流电压，用一个开关得到一个高频斩波（矩形波），斩波输入变压器初级并从次级输出，再经过整流、滤波得到一个稳定的直流输出。输出电压由控制电路接受并与比较信号相比，其修正信号放大后通过驱动电路，改变开关管的开关时间或频率，从而达到调整输出电压大小的目的。
如果直接由电池供给直流，经变换器得到所要求的直流输出电压，则实现 DC/DC 变换。
带变压器的开关电源变换器的工作方式主要分为单端正激式，单端反激式和推挽式、半桥式、全桥式等。半桥式和全桥式电源变换器与推挽式中变压器工作原理相同，因此用推挽式中的变压器来代表进行说明。图 5-2 示出三种变换器的电路示意图。图中 (a) 为单端反激式变换器电路，这种变换器电路结构简单，适合高电压、小功率，并有多路输出的电源，其变压器起变压、隔离、储能等作用，在各种消费电子设备中得到广泛采用。其缺点输出纹波电流较高，且变压器磁芯在一个方向上受磁化激励，传输相同功率需要比其它变换器更大尺寸的磁芯。
图 5-2(b) 是单端正激式变换器，这类变换器适于低电压、小功率电源，优点是输出有小的纹波电压。与单端反激式电路相比较，需要增加一个储能电感器。对于高性能、高功率、单输出电源，纹波要求 1% 以下，则最好选择图 5-2(c) 的推挽式变换器，该变压器磁芯受两个方向磁化激励，因此在同样功率输出条件下，可采用更小尺寸的磁芯；推挽式变换器电路比单端式较复杂，如要得到多路输出，则每一路都要有二极管，输出扼流和电容器等。图 5-3 示出三种变换器电路和输出电压、输出功率的关系。
5.2.2 开关电源变压器结构、要求和特性参数
在开关电源变换器电路中，变压器是重要电路元件。变压器设计与制造工艺将直接影响开关电源的传输功率，变换效率，各级输出电压及其稳定度，安全可靠性等，因此从电源角度，对变压器有如下要求：
(1) 尽可能传输最大功率；
(2) 变压器损耗小，转换效率高，温升小；
(3) 稳压范围宽，并满足各级输出电压要求及稳定度；
(4) 安全可靠；
(5) 噪声干扰小；
(6) 尺寸小、重量轻
开关电源变压器主要由铁氧体磁芯、骨架和铜线绕组组成，辅助材料则有绝缘胶带，绝缘漆、铜带、粘合剂等。图 5-4 示出一个典型的多路输出变压器绕组结构。图中 N1 是初级绕组，N2 和 N3 是次级绕组，N4 是激励绕组，N5 是取样绕组。
对开关电源变压器的主要特性参数要求有静态特性、工作特性、安全特性、可靠性等。下面叙述主要特性要求及测量方法：
(1) 初级电感—变压器初级电感值应控制在一定公差范围内，如规定初级电感为标准值的±10% 范围。
(2) 漏感—要求漏感越小越好。将次级短路，测初级漏感，其值应小于规定值。
(3) 直流铜阻—初级线圈的直流铜阻应小于规定值，如测量电阻时环境温度不是 20℃，则应按公式 (2.17) 折算为 20℃ 时直流铜阻值。
(4) 直流叠加下电感值—当变压器有直流偏磁场时，应测量规定直流叠加时的初级电感值，应大于零直流时初级电感值的 85%。
(5) 绝缘电阻—在变压器初级与次级绕组间，或绕组与磁芯之间施加 DC500V 电压时，用兆欧表测定其绝缘电阻应大于 100MΩ。
(6) 抗电强度—在变压器绕组间或绕组与磁芯间，施加 50 赫芝交流电压 500V-3000V，试验 1 分钟，绕组应无灼热、损伤、飞弧、击穿等异常现象，漏电流不应超过规定值。
(7) 温升—通常采用测定绕组直流电阻变化的方法来确定变压器温升，也可采用热探计直接测得变压器表面温升。
关于前者，是首先测量冷态时初级绕组电阻值，然后将变压器与工作状态测试电路相通，待达到热稳定时，将电源与负载断开，在最短时间内再次测量初级绕组电阻，按下列公式计算温升：
(5.1)
式中：θ1—试验开始时环境温度（℃）
θ2—试验结束时环境温度（℃）
R1—试验开始时绕组的电阻（Ω）
R2—试验结束时绕组的电阻（Ω）
K—与电阻率热系数有关的常数，对铜导线 K=234.5
(8) 匝比—用匝比测试仪，当初级输入 1V 电压时，各次级输出电压应符合规定值。
(9) 工作特性—将变压器接入工作状态测试仪，调节电压到额定值，例如 220V，各次级绕组为额定负载，测定各次级绕组负载电压应符合要求。如有要求，还应测定负载电流变化时，输出电压的稳定度。
(10) 可焊性—将变压器引出端浸入 235±5℃ 的焊槽中，浸渍时间 3 秒，取出后焊点光滑明亮，覆盖面应不少于 90%。
(11) 耐焊接热—变压器任一引出端在 350℃ 焊槽中浸渍 3.5 秒后，恢复 1 小时后沿引出端轴向施加规定拉力，应无断裂、脱落、外观异常现象。
(12) 环境试验—变压器应能承受高温 100℃，温度变化 -25℃-+100℃ 五次循环，交变湿热，振动、冲击以及安全、耐久性试验等，以保证变压器的安全性及可靠性。
5.3 磁芯设计考虑
早期开关电源工作频率均为 20kHz-25kHz，为了进一步缩小电源体积，目前开关电源工作频率已普遍提高到 100kHz-300kHz，正在开发的新的电源工作频率为 300kHz -1000kHz，甚至高达 1MHz-3MHz。这样对变压器及铁氧体磁芯均提出了新的要求。开关电源变压器设计主要受磁芯饱和及发热，或者绕组发热所限制。
5.3.1 磁芯设计基本原则
变压器及磁芯设计自由度受以下限制：(1) 磁芯饱和限制；(2) 磁芯损耗限制；(3) 调整度限制。
当电源工作频率降低时，在规定温升条件下，磁芯的工作磁通密度将提高，因此，对低频功率变压器，设计自由度主要受磁芯饱和所限制。金属软磁材料（如硅钢片），在低频下有高的饱和磁通密度，因此在 50Hz-400Hz 频率范围的功率变压器磁芯，采用硅钢片明显优于铁氧体。
当工作频率达 10kHz 以上高频时，变压器温升成为优先考虑的问题，因此高频功率变压器磁芯设计主要受磁芯损耗限制。软磁铁氧体变压器磁芯在 10kHz-10MHz 高频范围有低的磁芯损耗，具有较高饱和磁通密度和低损耗的 MnZn 系软磁铁氧体是最佳选择。
关于变压器调整度特性，主要由绕组电阻和漏感决定，在低频下绕组电阻和漏感将变大，其结果调整度变坏，因此低频变压器设计，往往还应考虑受调整度限制。
高频功率变压器设计，主要包括磁芯设计和线圈设计两大部分。这里重点叙述磁芯设计。磁芯设计目的是决定磁芯电磁特性要求和尺寸形状，涉及的主要参数有最大传输功率、工作磁通密度、材料性能因子、热阻、磁芯总损耗等。下面分别作一些叙述。
5.3.2 磁芯工作状态
开关电源变换器电路有三种主要的形式：反激式、正激式和推挽式，变压器磁芯的磁化工作状态如图 5-5 所示。可见前两类磁芯受到单方向磁化，可允许的工作磁通变化量 ΔB=Bm-Br（这里 Bm 约为 0.8Bs）；对推挽式变压器，磁芯受到双向磁化，可允许的工作磁通变化 ΔB=2Bm，因此，在相同的功率输出和操作条件下，推挽式变压器可使用较小的磁芯。但是，单端反激式变换器电路简单，不要求有平滑扼流图，特别适用于高压电源、小功率和需要多路输出的情况；由于成本低，在民用消费电子设备中应用很广。反激式变压器磁芯有大的气隙，便于储能和扩大 ΔB；当然，过大气隙会使磁化电流增大，绕组损耗增大，故对这类变压器往往有一个最小电感限制，磁芯有效磁导率和气隙设置应满足大于最小电感的要求。
5.3.3 变压器可传输功率
众所周知，变压器的可传输功率正比于工作频率 f，最大可允许磁通 Bmax（或可允许磁通偏移ΔB）和磁路截面积 Ae，并表示为：
Pth=CfBmaxAeWd (5.2)
式中，C—与开关电源电路工作型式有关的系数（如推挽式 C=1；正激变换器 C=0.71；反激变换器 C=0.61）
Wd—绕组设计参数（包含电流密度 J，占空因子 fcu，绕组截面积 AN 等）
这里，我们重点讨论（fBmaxAe）参数，暂不讨论绕组设计参数 Wd。增大磁芯尺寸（增大 Ae）可提高变压器通过功率，但当前开关电源的目标是在给定通过功率下要减少尺寸和重量。假如固定温升，对一个给定尺寸的磁芯，通过功率近似正比于频率。图 5-6 示出变压器可传输功率 Pth 与频率f的关系。提高开关频率除了要应用快速晶体管以外，还受其它电路影响所限制，如电压和电流的快速改变，在开关电路产生扩大的谐波谱线，造成无线电频率干扰，电波的幅射。对变压器磁芯来说，提高工作频率则要求改进高频磁芯损耗。图 5-6 中 N67 材料（西门子公司）比 N27 材料有更低的磁芯损耗，允许更大的磁通密度偏移 ΔB，因而变压器可传输更大的功率。磁芯总损耗 PL 与工作频率 f 及工作磁通密度 B 的关系由下式表示：
PL=kfmBnVe （W） (5.3)
这里，n 是 Steinmetz 指数，对功率铁氧体来说，典型值是 2.5，指数 m=1-1.3，当磁损耗单纯地由磁滞损耗引起时，m=1；当 f=10-100kHz 时，m=1.3；当 f>100kHz，m 将随频率增高而增长，见图 5-7，这个额外损耗是由于涡流损耗或剩余损耗引起。很明显，对于高频运行的铁氧体材料，要努力减小 m 值。
4.3.1 脉冲变压器的一般要求
脉冲变压器可以认为是宽带变压器的一种特殊情况，显示脉冲的信息通常是分配在很宽的频带区域，因此宽带变压器磁芯设计的一些原理方法也可以适用。但是，脉冲变压器主要考虑波形传送问题，即要求尽可能不失真地传输周期性序列的矩形脉冲。当电压源发出一个矩形脉冲，在次级感应的脉冲电压开始并不突然上升，脉冲结束时也不突然下降，而要经过一定的时间过程，即有一个“脉冲上升时间 tr”“脉冲下降时间 tf”（见图 4-7），另外，脉冲顶部也不是水平的，而是随时间下降，即有一个顶部跌落（称“顶降”用 D 表示）。此外，上升时还有一个“上冲波形”，希望脉冲前沿特性“顶降”及“脉冲下降时间”，“反冲”等尽可能小。
顶降 D 可用下式表示：
(4.16)
式中τ— 脉冲宽度
L1— 电感
r — 内阻
可见，增大电感 L1，可使顶降 D 减小。
脉冲上升时间主要与漏感和分布电容有关，减小上升时间，一般讲应使分布电容 Cs 尽量小，电感 L1 尽量大。下降时间则主要受主电感所支配。
总之，为了得到良好的波形传输特性，要求变压器漏感和分布电容尽可能小，主电感必须大。
4.3.2 磁芯设计考虑
为了得到大的主电感 L1，要求脉冲变压器磁芯有大的磁导率；对于工作在稳态周期性单极性脉冲的磁芯来说，实际上要求有大的脉冲磁导率。图 4-8 示出单极性脉冲运行时反复磁化曲线示意图。其脉冲磁导率 μp 由下式表示：
(4.17)
对于弱磁场工作的脉冲变压器磁芯，即工作于磁化曲线性区域，μp 近似与 μi（初始磁导率）相同；但工作磁场增大时，由于磁化曲线非线性特征，μp 则与 μi 不同。图 4-9 示出 μp 与磁通密度 ΔB 的关系，可见 μp 有一个最大值。另外，μp 与温度的变化关系与 μi~θ 变化关系也不同，μi~θ 曲线在居里温度附近有明显的磁导率峰值；但在脉冲工作状态下，磁感应变化 ΔB 愈大，则此峰值愈不明显。图 4-10 示出最大磁感应变化 ΔBmax 与温度 θ 的关系曲线。图中 F1、F2、F3 分别表示不同的初始磁导率的材料，μi 分别为 3500、7000 和 10000。几种材料的 ΔB 均在某一温度时出现最大值，这是因为 Bm 随温度升高而下降，Br 却在某一温度时出现最小值，结果 ΔB=Bm-Br 值在该温度时出现最大值。另外，磁芯设置气隙，可使 Br 下降，有效磁通密度变化 ΔB 增大。
关于磁芯尺寸的选择，可按照下列计算方法近似确定：
(4.18)
式中 ΔB — 磁感应变化（特斯拉）
E — 电压（伏特）
τ — 脉冲持续时间（秒）
A — 磁芯截面积（m2）
N — 匝数
主电感 Lp 则由下式确定：
Lp=μ0μpN2A/l
式中 l— 磁路长度（m）
μ0— 磁性常数 μ0=4л×10-7（亨利/米）
两公式相结合，得到磁芯体积为：
(4.19)
式中，Lp 由脉冲顶降决定，则已知 μp 和 ΔB 可求得磁芯体积。关于磁芯材料的选择，除要求初始磁导率 μi 大以外，还要求 ΔB 大。见图 4-10 所示三种磁性材料中，F2（μ=7000）显示更大的 ΔB，更适合脉冲变压器应用。
对于大功率下使用的脉冲变压器，还要求磁芯本身发热小，为此要选择磁芯功率损耗低的铁氧体材料，有关磁芯设计和材料选择可参考功率变压器磁芯设计一节。
5 高频功率变压器磁芯
5.1 概述
功率变压器通常是指传送较大功率的变压器。功率变压器与前述的宽带变压器有不同的要求，宽频带变压器通常在低磁通密度下工作，变压器本身发热可不予考虑，主要考虑在宽频率范围内传输信号失真尽可能小；功率变压器则通常传输单一频率，或者在窄频带范围内传输，由于工作在高磁通密度范围，应主要考虑变压器温升不能太高，即要求变压器损耗小；在设计变压器磁芯和绕组时，要使得在一定允许温升条件下，传输给负载的功率尽可能大。
各种电子设备用的电源变压器，是一种典型的功率变压器。由于铁氧体材料的饱和磁感应强度比金属软磁材料低很多，所以低频电源变压器（如工频变压器）主要使用金属软磁材料。20 世纪 70 年代出现了开关式电源，电源变压器的工作频率提高到 20kHz 以上，而且随着电子设备轻、薄、小型化的要求，开关电源工作频率不断提高（目前开关频率 100-300kHz 已占主导地位）。众所周知，当磁芯在接近饱和点处工作时，损耗将随频率上升而增大，铁氧体材料是具有极高电阻率，高频损耗比金属磁低很多，因此对高频功率变压器来说，具有较高饱和磁通密度和低损耗的软磁铁氧体磁芯成为最佳的选择。
作为高频功率变压器，除了上述开关电源变压器外，还有各种显示器或电视机用的回扫变压器。回扫变压器的工作频率和传输功率均低于电源变压器，磁芯设计原理是相似的，因此，本章重点介绍开关电源变压器用铁氧体磁芯的要求和设计原理。
5.2 开关电源变压器
5.2.1 开关式电源分类及工作原理
20 世纪 70 年代发展起来的开关式电源，与过去由笨重矽钢片变压器组成的线性稳压电源相比，具有体积小、重量轻、稳压范围宽、转换效率高等优点，迅速在通信、计算机以及消费电子产品方面得到广泛采用。用途广泛的开关式电源主要包括 AC/DC 变换器和 DC/DC 变换器两大类。低功率的 AC/DC 电源（0-300w）主要用于消费电子产品和计算机。高功率的 AC/DC 电源（750-1500w）主要用于电信工业。随着移动通信、网络设备、便携式计算机等发展，目前生产比例较小的 DC/DC 电源的发展潜力和应用前景将更为广阔。
图 5-1 示出一个典型的 AC/DC 开关电源的基本原理方框图。
一个 50Hz 的正弦波交流电源输入，经过整流和滤波后产生一个不稳定的直流电压，用一个开关得到一个高频斩波（矩形波），斩波输入变压器初级并从次级输出，再经过整流、滤波得到一个稳定的直流输出。输出电压由控制电路接受并与比较信号相比，其修正信号放大后通过驱动电路，改变开关管的开关时间或频率，从而达到调整输出电压大小的目的。
如果直接由电池供给直流，经变换器得到所要求的直流输出电压，则实现 DC/DC 变换。
带变压器的开关电源变换器的工作方式主要分为单端正激式，单端反激式和推挽式、半桥式、全桥式等。半桥式和全桥式电源变换器与推挽式中变压器工作原理相同，因此用推挽式中的变压器来代表进行说明。图 5-2 示出三种变换器的电路示意图。图中 (a) 为单端反激式变换器电路，这种变换器电路结构简单，适合高电压、小功率，并有多路输出的电源，其变压器起变压、隔离、储能等作用，在各种消费电子设备中得到广泛采用。其缺点输出纹波电流较高，且变压器磁芯在一个方向上受磁化激励，传输相同功率需要比其它变换器更大尺寸的磁芯。
图 5-2(b) 是单端正激式变换器，这类变换器适于低电压、小功率电源，优点是输出有小的纹波电压。与单端反激式电路相比较，需要增加一个储能电感器。对于高性能、高功率、单输出电源，纹波要求 1% 以下，则最好选择图 5-2(c) 的推挽式变换器，该变压器磁芯受两个方向磁化激励，因此在同样功率输出条件下，可采用更小尺寸的磁芯；推挽式变换器电路比单端式较复杂，如要得到多路输出，则每一路都要有二极管，输出扼流和电容器等。图 5-3 示出三种变换器电路和输出电压、输出功率的关系。
5.2.2 开关电源变压器结构、要求和特性参数
在开关电源变换器电路中，变压器是重要电路元件。变压器设计与制造工艺将直接影响开关电源的传输功率，变换效率，各级输出电压及其稳定度，安全可靠性等，因此从电源角度，对变压器有如下要求：
(1) 尽可能传输最大功率；
(2) 变压器损耗小，转换效率高，温升小；
(3) 稳压范围宽，并满足各级输出电压要求及稳定度；
(4) 安全可靠；
(5) 噪声干扰小；
(6) 尺寸小、重量轻
开关电源变压器主要由铁氧体磁芯、骨架和铜线绕组组成，辅助材料则有绝缘胶带，绝缘漆、铜带、粘合剂等。图 5-4 示出一个典型的多路输出变压器绕组结构。图中 N1 是初级绕组，N2 和 N3 是次级绕组，N4 是激励绕组，N5 是取样绕组。
对开关电源变压器的主要特性参数要求有静态特性、工作特性、安全特性、可靠性等。下面叙述主要特性要求及测量方法：
(1) 初级电感—变压器初级电感值应控制在一定公差范围内，如规定初级电感为标准值的±10% 范围。
(2) 漏感—要求漏感越小越好。将次级短路，测初级漏感，其值应小于规定值。
(3) 直流铜阻—初级线圈的直流铜阻应小于规定值，如测量电阻时环境温度不是 20℃，则应按公式 (2.17) 折算为 20℃ 时直流铜阻值。
(4) 直流叠加下电感值—当变压器有直流偏磁场时，应测量规定直流叠加时的初级电感值，应大于零直流时初级电感值的 85%。
(5) 绝缘电阻—在变压器初级与次级绕组间，或绕组与磁芯之间施加 DC500V 电压时，用兆欧表测定其绝缘电阻应大于 100MΩ。
(6) 抗电强度—在变压器绕组间或绕组与磁芯间，施加 50 赫芝交流电压 500V-3000V，试验 1 分钟，绕组应无灼热、损伤、飞弧、击穿等异常现象，漏电流不应超过规定值。
(7) 温升—通常采用测定绕组直流电阻变化的方法来确定变压器温升，也可采用热探计直接测得变压器表面温升。
关于前者，是首先测量冷态时初级绕组电阻值，然后将变压器与工作状态测试电路相通，待达到热稳定时，将电源与负载断开，在最短时间内再次测量初级绕组电阻，按下列公式计算温升：
(5.1)
式中：θ1—试验开始时环境温度（℃）
θ2—试验结束时环境温度（℃）
R1—试验开始时绕组的电阻（Ω）
R2—试验结束时绕组的电阻（Ω）
K—与电阻率热系数有关的常数，对铜导线 K=234.5
(8) 匝比—用匝比测试仪，当初级输入 1V 电压时，各次级输出电压应符合规定值。
(9) 工作特性—将变压器接入工作状态测试仪，调节电压到额定值，例如 220V，各次级绕组为额定负载，测定各次级绕组负载电压应符合要求。如有要求，还应测定负载电流变化时，输出电压的稳定度。
(10) 可焊性—将变压器引出端浸入 235±5℃ 的焊槽中，浸渍时间 3 秒，取出后焊点光滑明亮，覆盖面应不少于 90%。
(11) 耐焊接热—变压器任一引出端在 350℃ 焊槽中浸渍 3.5 秒后，恢复 1 小时后沿引出端轴向施加规定拉力，应无断裂、脱落、外观异常现象。
(12) 环境试验—变压器应能承受高温 100℃，温度变化 -25℃-+100℃ 五次循环，交变湿热，振动、冲击以及安全、耐久性试验等，以保证变压器的安全性及可靠性。
5.3 磁芯设计考虑
早期开关电源工作频率均为 20kHz-25kHz，为了进一步缩小电源体积，目前开关电源工作频率已普遍提高到 100kHz-300kHz，正在开发的新的电源工作频率为 300kHz -1000kHz，甚至高达 1MHz-3MHz。这样对变压器及铁氧体磁芯均提出了新的要求。开关电源变压器设计主要受磁芯饱和及发热，或者绕组发热所限制。
5.3.1 磁芯设计基本原则
变压器及磁芯设计自由度受以下限制：(1) 磁芯饱和限制；(2) 磁芯损耗限制；(3) 调整度限制。
当电源工作频率降低时，在规定温升条件下，磁芯的工作磁通密度将提高，因此，对低频功率变压器，设计自由度主要受磁芯饱和所限制。金属软磁材料（如硅钢片），在低频下有高的饱和磁通密度，因此在 50Hz-400Hz 频率范围的功率变压器磁芯，采用硅钢片明显优于铁氧体。
当工作频率达 10kHz 以上高频时，变压器温升成为优先考虑的问题，因此高频功率变压器磁芯设计主要受磁芯损耗限制。软磁铁氧体变压器磁芯在 10kHz-10MHz 高频范围有低的磁芯损耗，具有较高饱和磁通密度和低损耗的 MnZn 系软磁铁氧体是最佳选择。
关于变压器调整度特性，主要由绕组电阻和漏感决定，在低频下绕组电阻和漏感将变大，其结果调整度变坏，因此低频变压器设计，往往还应考虑受调整度限制。
高频功率变压器设计，主要包括磁芯设计和线圈设计两大部分。这里重点叙述磁芯设计。磁芯设计目的是决定磁芯电磁特性要求和尺寸形状，涉及的主要参数有最大传输功率、工作磁通密度、材料性能因子、热阻、磁芯总损耗等。下面分别作一些叙述。
5.3.2 磁芯工作状态
开关电源变换器电路有三种主要的形式：反激式、正激式和推挽式，变压器磁芯的磁化工作状态如图 5-5 所示。可见前两类磁芯受到单方向磁化，可允许的工作磁通变化量 ΔB=Bm-Br（这里 Bm 约为 0.8Bs）；对推挽式变压器，磁芯受到双向磁化，可允许的工作磁通变化 ΔB=2Bm，因此，在相同的功率输出和操作条件下，推挽式变压器可使用较小的磁芯。但是，单端反激式变换器电路简单，不要求有平滑扼流图，特别适用于高压电源、小功率和需要多路输出的情况；由于成本低，在民用消费电子设备中应用很广。反激式变压器磁芯有大的气隙，便于储能和扩大 ΔB；当然，过大气隙会使磁化电流增大，绕组损耗增大，故对这类变压器往往有一个最小电感限制，磁芯有效磁导率和气隙设置应满足大于最小电感的要求。
5.3.3 变压器可传输功率
众所周知，变压器的可传输功率正比于工作频率 f，最大可允许磁通 Bmax（或可允许磁通偏移ΔB）和磁路截面积 Ae，并表示为：
Pth=CfBmaxAeWd (5.2)
式中，C—与开关电源电路工作型式有关的系数（如推挽式 C=1；正激变换器 C=0.71；反激变换器 C=0.61）
Wd—绕组设计参数（包含电流密度 J，占空因子 fcu，绕组截面积 AN 等）
这里，我们重点讨论（fBmaxAe）参数，暂不讨论绕组设计参数 Wd。增大磁芯尺寸（增大 Ae）可提高变压器通过功率，但当前开关电源的目标是在给定通过功率下要减少尺寸和重量。假如固定温升，对一个给定尺寸的磁芯，通过功率近似正比于频率。图 5-6 示出变压器可传输功率 Pth 与频率f的关系。提高开关频率除了要应用快速晶体管以外，还受其它电路影响所限制，如电压和电流的快速改变，在开关电路产生扩大的谐波谱线，造成无线电频率干扰，电波的幅射。对变压器磁芯来说，提高工作频率则要求改进高频磁芯损耗。图 5-6 中 N67 材料（西门子公司）比 N27 材料有更低的磁芯损耗，允许更大的磁通密度偏移 ΔB，因而变压器可传输更大的功率。磁芯总损耗 PL 与工作频率 f 及工作磁通密度 B 的关系由下式表示：
PL=kfmBnVe （W） (5.3)
这里，n 是 Steinmetz 指数，对功率铁氧体来说，典型值是 2.5，指数 m=1-1.3，当磁损耗单纯地由磁滞损耗引起时，m=1；当 f=10-100kHz 时，m=1.3；当 f>100kHz，m 将随频率增高而增长，见图 5-7，这个额外损耗是由于涡流损耗或剩余损耗引起。很明显，对于高频运行的铁氧体材料，要努力减小 m 值。
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