1、前言

随着人们生活水平的不断提高，家用电子产品十分普及，小家电、节能灯及LED灯家居照明已为日常生活的必须品，电子产品中不可缺少的主要元器件——$电子变压器的需求量日益增加。绿色环保，低碳生活要求人们节能、节材和节省空间，要求电子产品轻、薄、短、小。同样要求组成电子产品的元器件越小越好。

电子变压器的传统设计均是按照大的工频变压器结构缩小而成。由此形成以下弊端：1，以手工制作为主，人工成本高，无法批量生产。2，变压器结构设计教条，线路板设计也是教条，更不能容忍的是都要按线路板要求来设计变压器，无法发挥变压器的功能，造成电子产品不良率高居不下，变压器同绕组首尾短路击穿、首地击穿、两绕组通过磁芯爬电击穿、各种跨线短路击穿等等。3，各种辅助材料用来解决问题，导致变压器绕组机构复杂，自动化生产没有可能，性能无一致性可言，每个变压器都有独一无二的性能，变压器转换效力低下。4，变压器供需双方争端平凡，磁芯性能倍受责疑。5，降级处理供应商倒霉，消费者利益也受损害。如何解决这些问题，已迫在眉睫。

本文根据市场现状、电磁学理论和自动化生产要求分析、讨论，提供给大家一套更加科学的变压器设计思路，以方便自动化批量生产小型变压器的方法。

2.电子变压器现状与设计制造

2.1.电子变压器在$电源技术中的作用与类别

电子变压器和半导体开关器件，半导体整流器件，电容器一起，称为电源装置中的4大主要元器件。根据在电源装置中的作用，电子变压器可以分为：

1)起电压和功率变换作用的电源变压器。$功率变压器，整流变压器，逆变变压器，开关变压器，脉冲功率变压器;

2)起传递宽带、声频、中周功率和信号作用的宽带变压器，声频变压器，中周变压器;3)起传递脉冲、驱动和触发信号作用的脉冲变压器，驱动变压器，触发变压器;

4)起原边和副边绝缘隔离作用的隔离变压器，起屏蔽作用的屏蔽变压器;

5)起单相变三相或三相变单相作用的相数变换变压器，起改变输出相位作用的相位变换$变压器(移相器);

6)起改变输出频率作用的倍频或分频变压器;

7)起改变输出阻抗与负载阻抗相匹配作用的匹配变压器;

8)起稳定输出电压或电流作用的稳压变压器(包括恒压变压器)或稳流变压器，起调节输出电压作用的调压变压器;

9)起交流和直流滤波作用的滤波电感器;

10)起抑制电磁干扰作用的电磁干扰滤波电感器，起抑制噪声作用的噪声滤波电感器;11)起吸收浪涌电流作用的吸收$电感器，起减缓电流变化速率的缓冲电感器;

12)起储能作用的储能电感器，起帮助半导体开关换向作用的换向电感器;

13)起开关作用的磁性开关电感器和变压器;

14)起调节电感作用的可控电感器和饱和电感器;

15)起变换电压、电流或脉冲检测信号的电压互感器、电流互感器、脉冲互感器、直流互感器、零磁通互感器、弱电互感器、零序电流互感器、霍尔电流电压检测器。

从以上的列举可以看出，不论是直流电源，交流电源，还是特种电源，都离不开电子变压器。有人把电源界定为经过高频开关变换的直流电源和交流电源。在介绍软磁电磁元件在电源技术中的作用时，往往举高频开关电源中的各种电磁元件为例证。同时，在电子电源中使用的软磁电磁元件中，各种变压器占主要地位，因此用变压器作为电子电源中软磁元件的代表，称它们为“电子变压器”。真可谓是种类繁多，无处不用。

2.2.热门的LED 灯用磁心特点与技术

LED(Light Emitting Diod，发光二极管)是一种固态$半导体器件，它可以直接把电流转换为光，其核心是一个半导体晶片，由P 型和N 型两部分组合而形成一个“P-N 结”，当电流通过导线作用于这个晶片时，电子被推向P 区与空穴复合，其能量以光子形式发出。这就是LED 的发光原理，而光的波长也就是颜色则由P-N 结的材料决定。上述过程表明，LED 必须要电源驱动，驱动电源的种类有：

1) DC-DC BOOST 升压恒流，电感储能升压驱动，效率高达90%，但EMI 电磁干扰严重。

2) Charge Pump 电荷泵，电容倍压升压驱动，不产生EMI。

3) LDO 低压差线性稳压器。

4) Current Regulator 恒流源，即开关式恒流电源，既可为DC-DC 模式，又可为AC-DC 模式，具有良好的稳流特性，转换效率高。

以上驱动电源中，只有电感储能升压电路和开关恒流电源电路用到铁氧体磁心，前者的储能电感一般使用Ni-Zn 铁氧体制成工字型磁心作SMD 功率电感器，后者则与中小功率开关电源用材料相似，要求具有负温特性的高Bs 低Pc 材料，如PC40、PC44 等，最适用的应选TDK 的宽温低功耗材料PC95 牌号和Philips 的高谷点材料3C93 牌号等。

AC-DC 模式的LED 驱动电源通常须采用共模滤波电路以抑制EMI，对高磁导率材料要求宽频高阻抗，如TDK 公司的HS52、HS72、HS10 材料等。为减少对外界的高频电磁干扰和线路的谐波干扰，这些Mn-Zn 材料应具有以下基本特性：

1) 宽温范围的平缓单调上升的μì-T 特性，减少电感波动，增强稳压特性;

2) 宽温低功耗;并保证宽温范围功耗Pc 的负温特性;

3) 宽温低谐波失真(THD)，降低线路干扰;

4) 宽频高阻抗，共模扼流、滤波抗EMI;

5) 宽温高Bs，以减少恒流源的电压波动，保护LED 器件，以免过电流烧毁。

$LED灯作为家用，其需求量就不是小数，所用AC-DC变压器就会批量使用。

2.3.变压器所用材料的耐压、耐温等级选择

变压器所用材料包括导体、半导体和(电介质)绝缘体其电阻率范围分别为10-8—10-6Ω*cm(导体)、10-5—106Ω*cm(半导体)和108—1018Ω*cm(绝缘体)。铜线、骨架引脚和屏蔽接地铜带为导体，铁氧体磁芯为半导体(锰锌铁氧体电阻率为10-2—102、镍锌铁氧体为10—106)，骨架用电木、漆包线漆膜、胶带和环氧树脂等为绝缘体。正确选择材料的相应特

性是变压器的重要环节之一。

导体(铜线与针脚)截面尺寸依据使用功率和所通过电流决定，1—10A/mm2由绕线方式、位置和应用频率决定。

磁芯应用依据使用功率、频率、环境和电路参数选择相应特性的材料、形状和尺寸。

绝缘体则是以耐压、耐温等级选用。

所有选择都是多项选择，一是由整个器件的特性要求和成本要求决定，二是由器件设计决定。但是，同样的特性和成本，组合选择还是多样的。因此，器件设计更为重要。

器件以元件的工作温度等级标志表示，$漆包线的漆膜其工作温度等级标志和允许最高工作温度见下表：

家用电子产品要求轻、薄、短、小，也就是体积小，基本都应选择F、H等级。但还是有使用B、E、A等级的。

对于导体来说，导体之间的漆膜、胶带和电木均为电介质。器件的抗电强度(耐压)是由电介质的介电强度决定的，当电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态，叫做“击穿”。“击穿”对于变压器来说就是不合格，也是普遍现象，而且一般选择的电介质介电强度都很好，击穿大多是由设计不妥、制成工艺难以达到理想状态而造成的。现实中往往会嫁祸于磁芯。

2.4.变压器绕组结构

1)工频或大中型变压器绕组结构(如图)

2)小型变压器绕组结构(如图)

2.5.中小变压器存在问题的位置及原因

传统思维和习惯指导下，变压器初次级绕组引脚分开，各占一边，以立式变压器为主。立式变压器、卧式变压器同绕组首尾绕在同边引脚，经常出现尾线斜跨整个绕组层面，或尾线与头线在骨架内亲近，容易造成首尾短路“击穿”，大型中型变压器全手工制作，数量小，另加绝缘套管解决问题。小型变压器，需求量大，另加绝缘套管既增加成本又无法自动化绕制。故小型变压器绕组不宜按传统方法设计。

小型立式变压器，如EE16变压器或EF20变压器带铜箔接地的，引脚初级一边次级一边，由于针脚与磁芯间距太小，经常出现首地击穿、两绕组通过磁芯爬电击穿，可靠性差。所以小型变压器宜采用卧式骨架。

变压器初次级绕组通过的电流不同，所以所用线径大小不同，大中型变压器应该如此，也可以节省铜材成本。小型变压器要是有三个绕组及以上的，用全手工绕制，经常会错用线径，也不能自动化绕制了。又小型变压器的人工成本已远大于节省的铜材金额，因此小型变压器要尽可能统一线径。

当然，传统思维设计的变压器基本变换原理不会错，但用手工绕制，就无法得到自动化生产带来的大批量、低成本。

3.击穿问题的理论依据和分析

3.1.介电强度理论

前面提到，对于导体来说，导体之间的漆膜、胶带和电木均为电介质。器件的抗电强度(耐压)是由电介质的介电强度决定的。

当电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态，这种现象称为介电强度的破坏，或叫做“击穿”。“击穿”对于变压器来说就是不合格。其相应的临界电场强度称为介电强度或击穿电场强度。

正常人们所观测到的绝缘体的击穿电场强度范围为105—5×106 (V/cm)，宏观尺度来看，这些电场属于高电场，但从原子尺度看，这些电场是非常低的，106(V/cm)=10-2(V/Å).击穿决不是由于电场对原子或分子的直接作用所导致的，电击穿是一种集体现象。

为了便于叙述和理解，通常将击穿分为三种：热击穿、电击穿、电化学击穿和局部异常放电击穿。

1)热击穿：处于电场中的介质，由于其中的介质损耗而受热，当外加电压足够高时，可能从散热与发热的热平衡状态转入不平衡状态。若发出的热量比散去的多，介质温度将越来越高，直至出现永久性损毁，这就是热击穿。变压器中磁芯性能中功耗高引起的损毁就属于这种情况。

2)电击穿：刚体介质电击穿理论是在气体放电的碰撞电离理论基础上建立的，叙述为：在强电场下，固体导带中可能因冷发射或热发射存在一些电子，这些电子一方面在外电场作用下被加速获得动能，另一方面与晶体振动相互作用，把电场能量传递给晶格。当两个过程在一定的温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导;当电子从电场中得到能量大于传递给晶格振动的能量时，电子的动能就愈来愈大，电子能量大到一定值时，电子与晶格振动的相互作用导致电离产生新电子，使自由电子数迅速增加，电导进入不稳定阶段，电击穿发生。

这种击穿与介质中的自由电子有关，室温下即可发生，发生时间很短(10-8—10-7秒)。介质的自由电子来源：A，杂质和缺陷能级，B，价带.

变压器中通电后骨架烧毁击穿就属于这种情况.

3)电化学击穿:由于外加电场的作用，导致电介质内部发生化学变化，而引起的击穿.电解电容中的击穿现象多一些.

4)局部异常放电击穿:它实际属于气体介质击穿.在变压器中绕组漆包线漆膜针孔，脱节;骨架针脚之间有毛刺;骨架针脚与磁芯之间距离太近，又无挡板;骨架针脚与接地铜箔距离太近;各绕组的头尾安排不当.等 等.

这就解释了前言中的变压器同绕组首尾短路击穿、首地击穿、两绕组引脚通过磁芯爬电击穿、各种跨线短路击穿等等。

3.2.击穿问题实例

某公司批量使用立式EF20变压器，变压器有铜箔接地，其中一批电源6000个上线老化，发现有25个变压器局部击穿，电源中其它元器件没有损毁。磁芯供应商、变压器制作商和该公司一起分析，做了试验，并委托第三方对磁芯的功耗进行测量比较。

把已被使用并击穿的变压器中磁芯重新做成新的变压器，再上线老化，合格。

把击穿的、没有击穿的变压器中所谓两种磁芯加上还没有使用的磁芯一起委托第三方对磁芯的功耗进行测量比较，其结果如下：

电感测试仪器：Hanker3302;功耗测试仪器：CH2335+3866B

由上述数据表明：三种磁芯无论是常温功耗还是高温功耗都没有明显差别，击穿与磁芯无关。笔者亲眼所见为首地击穿，初级绕组与接地铜箔击穿。

由上节文章介电强度理论得知，磁芯引起的变压器击穿是热击穿，是永久性损毁。实际上软磁材料各牌号的性能差异，在批量供应的磁芯上功耗指标差异不大。广东风华高科的王宏先生在《磁性材料与器件》2012年第4期.上说出了软磁行业功率铁氧体磁芯的真实现状。“目前，市场上应用最广、有代表性的MnZn低功耗材料当属日本TDK 公司的PC40 和PC44 材料，PC44 是PC40 的升级材料，其100℃标称功耗为300 mW/cm3。但是，以我国现有原材料和设备条件，用双推板N2 窑烧结合格的PC44 材料相当困难，因为要实现谷底功耗300mW/cm3 并不难，但要兼顾高低温其它性能指标，如起始磁导率、截止频率、饱和磁通密度等，并且功耗谷点在100℃就非常困难了。笔者所了解100℃功耗国内现有水平大都在400mW/cm3 以上。”

所以磁芯器件用户过高要求批量应用的$磁芯功耗值是自欺欺人，只能得到心理满足。

4.小型变压器设计的新思路和新方法

4.1.基本思路

1)小型变压器(可以包括中型尺寸的)设计要抛弃大型变压器的样板，合理回避同边引脚同绕组。小型变压器尽可能不用立式骨架。

2)中小型变压器绕组及引脚设计要以变压器本身最合理为中心，不能以线路板已确定为中心去撮合。补充修改直至调整线路板上的变压器引脚针孔位置。

3)小型变压器设计要以能自动化生产为中心，经可能减少各种辅料品种和规格，以最简单的方法保证变压器的可靠性，实现全自动批量化生产。

4)变压器设计不能极端要求磁性材料的特性，要充分利用磁芯形状带来的效果。

4.2具体方法指导

1)两个绕组及部分三个绕组的变压器采用卧式单槽骨架、胶带隔离;卧式双槽，卧式多槽骨架，注意引脚位置和匝数多的绕组抗电强度的提高。

2)三个及以上绕组的变压器宜采用多槽骨架。

3)一定要用立式骨架的变压器可以采用立式多槽、引脚外移的骨架。见图。

4)在空间容许的情况下采用磁芯尺寸大一些，没有空间余地的选用磁芯常数 Ae/le比值大一些的形状。电感系数AL值大，气隙可以深一些，电感值稳定。详见须栋在2012年电子变压器年会上发表的《软磁铁氧体磁芯结构与使用》。

5)单绕组电感上电压远小于变压器的绕组。共模双绕电感两绕组之间的电压与变压器相近，故用卧式双槽骨架。绕组间可靠隔离后，单一绕组上的首尾之间电压可串入阻抗调控。

5.结束语

我们已和多家用户配合，实施小型变压器全自动绕制，确保批量应用。感谢他们的认同和采纳。一点点的改进可以换来批量自动化生产的实现，值得所为。

参考文献：略。

编者介绍：

须栋，高级工程师，研究生导师，全国磁性元件与铁氧体材料标准化技术委员会委员，中国电子元件行业协会磁性材料与器件分会、中国电子材料协会磁性材料分会软磁技术顾问。1982年毕业于兰州大学物理系磁学专业，长期从事磁性材料及器件研究、生产和应用。

历任：电子部32研究所下属上海华埔科技有限公司总经理，上海宝钢天通磁业有限公司总工程师，横店东磁软磁部技术顾问。

现任：上海依林磁业有限公司总经理，桐乡市耀润电子有限公司和江西耀润磁电科技有限公司总工程师。

联系方法：电话021-39104389，13901686805。Email：dongxu1959512@126.com.

 

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