第十八届全国电源技术年会论文集无磁芯ＰＣＢ变压器在磁隔离放大器中的应用王璐，阮立刚，王莉南京航空航天大学重点电源实验室，南京２１００１６Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｎｏｗｈｉｔｅ＿ｇｒｅｅｎ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ摘要航天高压直流输配电系统为了保证系统稳定和可靠的运行，需要进行模拟信号和数字信号的隔离传输。本文研究的是基于无磁芯ＰＣＢ变压器的工作在高频状态的磁隔离放大器，这种变压器明显减小了绕线式变压器的损耗，减小了磁隔离放大器的体积。通过理论计算、有限元仿真和实际测量三种方法得到准确的变压器参数，在对变压器进行建模的基础上设计了磁隔离放大器，通过实验验证了其可行性，可以精确地实现信号隔离传输。关键词无磁芯ＰＣＢ变压器建模磁隔离放大器１．引言在航天高压直流输配电系统中，实现监视和控制需要用到各种自动化仪表、控制系统和执行机构，它们之间的信号传输既有微弱到毫伏级、微安级的小信号，又有几十伏、数十安培的大信号；既有低频直流信号，也有高频脉冲信号等等。航天器的工作环境是具有很多高能宇宙离子辐射的复杂空间环境。信号的隔离传输不允许使用光耦，而毖须采用磁耦来实现数字信号和模拟信号的隔离和信号的高精度隔离传输。磁耦隔离技术是一种基于芯片级变压器磁耦合的隔离技术，采用特殊的绝缘层和变压器盘绕完成，通过与高速ＣＭＯＳ技术与芯片尺寸变压器相结合形成产品。与光耦相比，磁耦具有下列优点：速度更高；功耗更低；性能更高，时序精度、瞬态共模抑制力、温度影响，均优于光耦；体积更小，集成度越高、可靠性越好。基于ＰＣＢ的无磁芯变压器消除了磁芯，运用现代化的印刷电路板技术，能够精确地控制印刷线圈的参数，易于大规模生产。主要应用于高频的信号和能量转换。具有很大的应用潜能。本文主要对基于ＰＣＢ的无磁芯变压器的结构、参数和等效模型等问题进行了研究和仿真，设计了基于无磁芯变压器的信号隔离传输方案并进行了实验验证。２．无磁芯变压器的结构传统的变压器是由缠绕在磁芯上的铜制线圈构成，主要靠磁芯实现能量转换：无磁芯变压器没有磁芯，通过线圈间的漏磁感应实现能量或信号转换。无磁芯ＰＣＢ变压器中主线圈和次级线圈直接印刷在ＰＣＢ板上，线圈的形状可以是圆螺旋形【ｌ】，也可以是方螺旋形【２１，大小不一。由于圆形线圈比方形线圈的路径短且叠加区域少，圆形线圈的电阻小，线圈间的电容量也小；方形螺旋线圈邻接边的连接部分成直角，存在电流突变，所以一般选用圆形螺旋线圈。本文对两种结构的无磁芯ＰＣＢ变压器进行了研究，制作实物并进行了实验。图１是单螺旋结构的立体结构图，将线圈直接印刷在统一电路板的两个面上，且主、次线圈是对称的：图２是双螺旋结构的剖面图，主次级线圈在同一层交错盘绕，ＰＣＢ板七下两层的线圈通过过孔连接。单螺旋结构中，单边绕组的电感值较大，原副边间耦合系数较低，单层板双面布线时接线需要从中间点引出，会对整个变压器的磁场形成干扰；双螺旋结构增加了耦合系数，接线方便，但是原副边绕组间的寄生电容明显增大，并且原副边绕组间距减小带来了电压电阻的绝缘问题。在实验中，两种结构均可以实现信号隔离传输功能。图２双螺旋变压器的剖面图次缴线圈图１单螺旋变压器的结构图一占兰３．高频无磁芯ＰＣＢ变压器的建模与分析３．１无磁芯ＰＣＢ变压器的高频等效电路无芯变压器的主、次级线圈都是由印刷在电路板上的ｎ个螺旋线圈相互连接而成的，由电磁和电路理论［３】可以知道，一个螺旋线圈可以等效为一个电感、一个电阻和电容的串并联电路。ｎ个螺旋线圈串联构成无芯变压器的主线圈或者次级线圈，因此可以得到主线圈（或次级线圈）的电路。无磁芯变压器基本模型如图３所示。图３无磁芯变压器基本模型图３中各元件含义如下：Ｒ，为主线圈的电阻；Ｒ２为次级线圈电阻；￡，为主线圈泄漏磁感应：岛为次级线圈泄漏磁感应；“为主、次线圈间的互感；Ｃ，为主线圈电容；Ｇ为次级线嘲电容；·４１３·ｃ，？为主次线圈问的电容：％为主线圈端口电压；ｖｓ为次级线圈端口电压。对变压器进行解耦，得到具有电阻负载的无磁芯变压器等无磁苍ＰＣＢ变压器在磁隔离放大器中的应用效电路（如图４）。由等教电路可以求出电路的谐振额串以及电压增益。谐振额聿‘２丽１其中ｒ￡ｑ２如＋ｔ，ＩＩ“·ｃ。＝ｏ＋ｃⅡ（ｏ包括了负载电容）。电压增益为『ｌ、］互互：型１２：：玉互互：互刖≤ｍ＋ｌｔ：“”％”ｔ＋击卜“：Ｉｉ告＋去卜１Ｊ，ｌ，ｌ、、－ｒ，、］３２无磁芯ＰＣＢ变压器的电感参数分析为了方便计算电培量．将无ＢＰＣＢ变Ⅲ器的螺旋线圈等效成通过微小的连线串３２１无苟变压嚣自感和§感的计算—Ｌｏ、钆１Ｉ女，：Ｊ‘ｌｃ联而成的一系列同。圆。采用纽曼。式Ｈ】计算圆环单线圈的电礴：先求出闭合回路上各点的矢量磁位Ａ．再将矢量碰位Ａ沿闭台环路Ｃ进行线积分，得到穿过闭合回路ｃ的磁链ｖ．矢量磁位Ａ如粜为Ｌ自身电流产生．则ｖ为自缚磁链；反之，则为Ⅱ感磁链，然后将ｖ除以电流得到单环线圈的自感或ｉ砖。下面针对单螺旋方式，研究变Ⅱ器几何参数的变化对电感量和耦台系数的影响。圈５中的变压器规格说明如下ｚ例如１０１０２０（１０圈铜箔宽１０ｍｉ［铜桔间距２０ｒａｉｌ），ＰＣＢ板厚度０ｋｊｃｌ。Ｉ５‘｝一１＾圈４具有电阻盘载的无碰芯变Ⅲ８等效屯路黼Ｆ—３ｉｊ目！ｉｋ！＝ｉ：】圈５电感量的变化圈５一，铜箔厚度：ｏ０３５ｒａｍ。般希望耦台系数ｋ值越大越好．目样能量变压器的耦合系数ｂ＾玑ＬｆｔｊⅪ５，或信号才能最大限度的传递过去。由圉６中日以看到．变Ⅱ器｝、扶线圈离得越近．耦舍地越紧，ｆ值也就越丈；线圈圈敷越多，铜箔越宽、半径越丈、铜箔问炬越小．＾值越太。３．２２理论计算、Ａｎ∞ｆｔ仿真与实际测量结果№较。·：。ｓｔｓ—ｓ—ｓ一；，；一’采用Ａｎ∞Ｒ软件【５】进行有限Ｒ法分析，自适应划分Ｍ格，系统进行避代求解，对最大误差存在的区域进行阿格细化，得到较高的尉格密度，从而生成更加准确的解ｅ仿真步骤为：选择求解器和ｍ标．建模，指定材料属性，指定边界条件和源．设置求解量、制定求解规范，生成解，观察结果，进行后处理。实验中，用阻抗仪测量变压％的厦剐边自感，原副边顺反接测量计算得到ｑ感。引．／Ｖ全銎。。０＋０ｔ：一：·？。，０一：－？阿６耦合系数的变化圈ｒｏＴ（ａ）和圈７０）分别为单螺旋和口蝴旋结构的计算、仿真、实验测量的电堪量。双螺旋方式的规格随明如Ｔ：Ｄ１５２０１０（１５圈．铜箔宽２０ⅡＩｉＩ－原副边铜箔问距ｌＯ肌】．原边№副边的半径略太），ＰｃＢ扳厚０５ｍｍ，铜箔厚００３５呷。由图中可以看到：计算结果偏大．（ａ）单螺旋结构巾）双螺旋结构图７电感量计算、仿真、测量对＆仿真结果俯小，均与实际测量结果接近。因为仿真和计算的时候，均是将螺旋形线日用一系列同心圜来等教的，所以不目避免的与测量值有一定的误差。仿真时．同格划分散目不变时，变压器尺寸变大．仿真精度降低．误差增太．３３无磁芯ＰＣＢ变压器的特性选取１０１０２０变压器实际电感电窖测量值进行仿真分析．如图４的等散电路，ＬＩ－Ｌ２１＿ｓ５０ｎＨ，ＬＭ－７１８ｎＨ，ＲＩ－Ｒ２－２５ｎ．０弗’一ｏ＝５００ｐＦ－硝￡－２５ｍ，采用Ｍｕｌｔｉ蛐软件进行等教电路顿域仿真，分析无碰芯变压ｇ的特性。南罔８的仿真结果分析无磁甚变压§主要特性如下：①低额工作时，电压增益很低，随着频率的增长，电压增益也随之增长，直到达到谐振时的最大值超过谐振频率时，无芯变第十八届全国电源技术年会论文集Ⅲ嚣的增益Ｆ降。②无芯变压器具肯带通特性．Ｔ作频率应在谐振额翠附近Ⅱ４、于谐振额率：载波应为谐波古量低的ＪＦ弦波；谐振频牢町由在变Ｅ器扶级跨接电容米方便地改变．③在谐振犀域（略低于谐振频率ｈ电Ⅲ增盏ＥＩ怍往其它范围内要高，克服７无＆变压器低耦台的问题。这个局部谐振Ｅ域Ｄ４＇高增益、相咎小的特点。４无磁芯ＰＣＢ变压器在磁隔离放大器中的应用本立骱ｆ的ｍ隔离放大％方案如嘲９所示通过诮撷调制把输＾信号月制为１ｊ输入幅值相盖的宽眯冲信号似２轧咄变压嚣传递的只是额率量．对脉冲的宽度没有《求．所“通过单稳态电路将宽脉冲调制成窄脉冲（１００ｍ或者更小，保Ⅱ存变ｍ器通颠带以内）经蹙Ⅱ％传递．碱小所需要的擞碰电流．进一步减少无磁芯变压§的体积：耦合到副边的窄脉冲信号经过脉冲瘟形环节和颁压转换环节觯调．得到幅值々输＾信号＆比例的输出信９。饵调的信号经过滤波Ｂ滤皱，Ｈ减少输ｍ信号中的噪声和毁波。Ｖｆｆ和Ｆ／Ｖ电路采用电压－额率变挠器ＬＭ３３１实现．单稳态电路采用具有施密特触发输＾的苹稳态誊额振龋器ＳＮ７４１２１实现，均为５ｖ供电。如图１０，诚隔离放大ｇ来可以精确地实现Ⅲ弦渡和一角碹等再种信号的隔离佶输。ｖｍ和Ｆ～和变Ⅲ＃保Ⅱ线性度；仪需甘！个集成电路供电．原副边电流为ｍ＾级，功耗低．功率损耗仅为儿十Ｉｌｗ，采用简单的器件，成奉低结构简单，可靠性高：脉冲宽度减少，变＾≈体积进一步减小。圈８无融芯变压％的幅相曲线ｄｌｗ．【２ｙ瑚ｖ］‘ｈｉ。～１２ｒ，ｄ¨…‘。一ｊ：＿【＝＝～．…｛。～ｊ！｝奠塑帮攀。ｊｉ叼匝一图９基于无磁芯变压§的信号隔离传输方案“『、＿／矗彭≥／７一‘ｏ谕～一／、／一√７．¨…，‘，一～～，，：¨…，。（非输有直漉偏置的正弦信号（嘴输有Ｄｅ伯置的锯齿波信号圈１０基于无磁各变压器的磋隔离放大罂实验波形５结语奉文研究了无磁芯变压嚣的原理与设计，井针对固态转换开关的信号侍轱，设计７基于无磁芯变Ⅲ嚣的鞋隅高放大器，通过实验验证．性能良好．无芯变Ⅱｇ消除了磁芯对频率、磁饱和度和磺茹损耗．可以宴现磁附离放大嚣的基本功能。可以通过制作多层ＰｃＢ扳的无碰芯变压％进步减小体积和损耗，选到甚片壤的破隔离放太器．参考文献【１】｝“ＳＹ飓Ｔａｎｇ『２１ＳＣ，ａｎｄＣｈｕｇＨＣｏｒｅｌ∞ｓＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＢｏａｒｄ６＂ＣＢ）Ｔ珊ｓｆｏ删ｅｒｓＦ帅ｄａｍ∞删ＣｈａｒａｅｔｅｄｓｔｉｃｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＰｏｔ∞ｔｉａｌＩＥＥＥＣｗｅｕｉ＇ｓａⅡｄＨｕｉｓＹＲ，ＴａｎｇｓＳｙｓｔｅｍ，ｎ¨ｏｕａｒｔｃｒ２０００；１１（３）Ｔ—ｅｔｉｏｎｓ∞Ｐｏ～Ｅｌｃｃｔｒｏｎｉ口，Ｍ＂１９９９；１４（３ＩＣ，¨ｄＣｈｕｎｇＨＣｏｍｌ鼢ＰＣＢ－Ｂａｓｅｄ４２２－４３０Ｔｒａｍｆｏ—ｆｏｒＰｏｗｅｒＭＯＳＦＥＴｆｌＧＢＴＧａｔｃＤｒｉｖｅＣｉｒｃｕｉｔｓＩＥＥＥ【３］钟顺时电磁场基础【Ｍ】北京。清华大学出版社．２００６６…集ｉ伟无芯印制扳变压镕与印制电感器的分析和计算大连海事大学硬±论文，２００５【５］刘国强，赵凌志，蒋继娅ＰａｕｏｆｔｌＪ程电碰场冉限几分析【Ｍ１北京：电了Ｉ．业山版社２．００５８作者简介Ｉ璐（１９８８－）．女，颈±研究生．主要从事电力电子技术ｄ功率变换方而的研究；阮ｉ刚ｆ】９８７ｆ１．男，顶上研究生．主要从事电力屯子技术在电力系统中的应用的研究：ｆ莉（１９６９－），女．博士。教授．丰要从事电力电子在电力系统中的应用、新能源发电技术及自动化配电系统等方面的研究无磁芯PCB变压器在磁隔离放大器中的应用
作者：作者单位：
王璐， 阮立刚， 王莉
南京航空航天大学重点电源实验室,南京 210016
1. 杜祥岭.鲁宝春.王景利 基于MAX5003的隔离式电源设计与分析[期刊论文]-仪表技术2002(3)2. 李汝来.朱义胜 无芯印刷板变压器的等效电路模型及特性[期刊论文]-大连海事大学学报2004,30(2)3. 新工艺运放面向高压工业应用[期刊论文]-电子设计技术2007(1)
4. Tom Sheehan 低噪声隔离电源变换的简单方案[期刊论文]-电子产品世界2003(9)
5. 陈亚非.陈银杏.李文.冯进军.闫铁昌.雷虹 前向波放大器高压电源的设计[会议论文]-2005
6. 邓兰萍.王纪民.DENG Lan-ping.WANG Ji-min 一种LDMOS高压运算放大器的设计与实现[期刊论文]-微电子学2006,36(1)
7. 曹会忠 信号变压器[会议论文]-2001
8. 杨玉岗.廖相德.付财 三相电压调整模块(VRM)无源控制的研究[会议论文]-2009
9. 彭锦凤.丘东元.张波.黄子田 小世界网络模型下电力电子变换器结构性故障特性分析[会议论文]-200910. 李汝来.朱义胜 无芯PCB变压器基本原理及其特性[会议论文]-2001
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