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  小型化和微型化电子变压器           
小型化和微型化电子变压器
作者:佚名 文章来源:不详 更新时间:2007-1-17 20:13:16

小型化和微型化电子变压器


1引言
随着信息化和数字化社会的高速发展,当前对世界范围内小型化和微型化电子变压器的发展和相应变化有了一些研究,国际上对这类变压器的需求量也日趋增长。众所周知,电子变压器的理论已经非常成熟,目前也没有很大的发展,而国际上对小型化和微型化电子变压器的研究主要放在原材料的开发研制和生产工艺的研究上。
2原材料
2.1磁性材料
2.1.1锰锌材料
由于国际上对在高频工作状态下的半导体技术和电容技术的研究和发展,使这类器件的工作频率越来越高,而体积越来越小。因此在整机电路中也要求电子变压器的工作频率越来越高,正因为电子变压器的工作频率的升高,才使电子变压器在相同的输出功率情况下体积可以做得更小。从下面的公式可以看出,电子变压器所用磁芯的尺寸与输出功率和工作频率有关,当输出功率不变时,提高工作频率可使磁芯的尺寸缩小。
AP=PA×106/2fΔBηjKV
式中:
AP=AC×AWC,即磁芯有效截面积(cm2)乘以磁芯窗口面积(cm2);
PA是变压器的标准功率(VA);
ΔB是工作时间的增量磁感应强度(G),Δ B=BM-BR;
f是开关电源的工作频率(HZ);
j是电流密度;
η是变压器的功率;
KV是磁芯窗口利用系数。
从电子变压器所用的磁性材料的工作频率看,日本的TDK、FDK、德国的西门子、我们国营金宁无线电器材厂都在这方面做了大量的研究工作,使电子变压器的工作频率能达到100kHz~1000kHz,为电子变压器的小型化和微型化打下良好的基础。
表1给出TDK、FDK、西门子、金宁无线电器材厂几种高频工作范围的磁性材料的牌号及有关性能参数。
从表1还可看出,在高频状态下工作的功率铁氧体还有一个重要参数即磁芯损耗。工作频率较低的磁性材料,其磁芯损耗的最低点在60℃~80℃,而在工作频率较高时,磁性材料的磁芯损耗温度范围为60℃~100℃,这样,使得小型化和微型化电子变压器在其工作温度范围内的铁损最低,而且在60℃~100℃的工作温度范围内铁损降低,呈负向变化,进一步提高了电子变压器的可靠性,使小型化和微型化电子变压器能有效地工作在密封环境和长时间工作的状态下,并可有效地降低温升。

表1磁性材料的性能

生产厂家

材料型号

国营金宁无线电器材厂
JP3
JP4
JP4B
JP5

西门子
N27
N72
N87
N49

FDK
6H10
6H20
6H40
7H10

TDK
Pc30
Pc40
Pc44
Pc50

使用频率范围f/kHz
25~100
100~500
100~500
500~1000

初始磁导率μ
2500±25%
2300±25%
2400±25%
1400±25%

磁芯损耗PC/mV·cm-325kHz,200mT
25℃
130
120



60℃
90
80



80℃





100℃
100
70



100kHz,200mT
25℃
700
600
600



60℃
500
450
400



80℃






100℃
600
410
300



120℃

500
380


400kHz,50mT
100℃





500kHz,50mT
25℃



130


60℃



80


80℃





1000kHz,50mT
100℃



80

饱和磁通密度H=1000A/mB/mT
100℃



450

25℃
510
510
500
470H=1600A

100℃
390
390
390
380

剩磁Br/mT
25℃
117
95
95
190

矫顽力Hc/(A/m)
25℃
14
143
13
35

居里温度Tc/℃

230
215
215
240

表观密度d/(g/cm3)

4.8
4.8
4.8
4.8

电阻率ρ/Ω.m

10
6.5
6.5



表2镍锌材料的性能


频率
μlac
tanδ/μlac
Bms
aμr
Tc
p
d

MHz
±25%
×10-6
MHz
Causs
×10-6/℃

Ω·cm
g/cm3

N4
0.1~5.0
200
2060
0.16.0
4200(20Oe)
8(25℃)
>200
107
4.9

N7B
0.1~5.0
200
2060
0.16.0
3700(20Oe)
7(25℃)
>200
107
4.9


2.1.2镍锌材料
在小型化和微型化的电感器中,由于电感器的绕线是直接绕在磁芯上,因此都采用高电阻中的镍锌材料制成的磁芯。而这些电感器常常工作在小电流的情况下,所以对这类磁性材料的饱和磁通密度B的要求较低,通常在2500Gs,只能在小功率状况下使用。目前,笔记本电脑等其它电子设备需要的电感器要求能工作在大功率的状况下,为此,国际上研制出不仅具有高的电阻率,而且具有高的磁通密度B的镍锌材料,用这些材料制成的磁芯常用在贴片型电感器上,使电感器的绕线可直接绕在磁芯上而又能保证其工作在大电流的情况。表2给出这类磁性材料的参数。
2.2绝缘铜线
由于小型化和微型化电子变压器的体积越来越小,对这类电子变压器能否符合安装规则中的安全标准提出了很高的要求,由于安装规则中要求电子变压器的初、次级间应有一定的安全距离。如果在小型化和微型化电子变压器中也采用这种方法,则电子变压器将无法做小,所以用控制线圈两端的安全距离的绕线方法已不能满足这类电子变压器的要求。日本在这方面进行了一些研究,生产出一种3层绝缘的铜线。这种铜线的外层有3层绝缘,将两股这种铜线绞合起来,放在水中能承受3kV的耐电压,因此用这种铜线制作小型化和微型化电子变压器,能有效地满足安装规则的要求,目前这种铜线已大量使用在手机充电器和开关电源变压器中。
3工艺技术
3.1用集成电路制造工艺
为了有效地缩小小型化和微型化电子变压器的体积,用绕线方式很难达到进一步缩小电子变压器的体积。目前有两种工艺方法,一是用多层安装的印制电路板工艺,另一种是集成电路制造工艺。
这种集成电路制造工艺就是用真空溅射的方法,在铁氧体磁性材料基板上溅射一层按设计要求厚度的导电金属,经光刻后再溅射上一层高电阻率的磁性材料。如此反复形成几层,制作电子变压器。
用这种方法制造电子变压器,可同时在一块基板上制作多个电子变压器后再切割成单个电子变压器,其一致性较好,同时可有效缩小电子变压器的体积。
3.2在变压器上装散热片
国际上对使用在较大功率(500W)下的小型化电子变压器,从磁路设计和选用材料上做了大量的工作。而且在增大变压器磁芯与空间的散热面积上也有很多的考虑。所采用的工艺是在电子变压器的磁芯上用导热胶粘上金属散热材料,帮助大功率的小型化电子变压器散去变压器工作时所产生的大量热量,以有效保证电子变压器的工作效率。



图1封装式电子变压器



图2无引线式电子变压器

4封装式电子变压器
在数据信息的传输中,大量的客户常常是每个客户单独使用一个传输变压器。为了缩小体积,可将几个传输变压器用集成电路封装技术将其封装在一起。外观上看就象集成电路,如图1所示,这种含有多个电子变压器的器件便于在整机生产线上使用,也更有效地缩小了整机的体积。
5无引线式电子变压器
在小型化和微型化电子变压器上,在缩小电子变压器体积的同时,正在逐步地取消电子变压器的引出脚。使用无引线技术制作的电子变压器可以采用表面贴装技术安装,如图2所示,以满足整机大量采用表面贴装技术的要求。

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