一种变频式开关电源的高频变压器的制作方法

本实用新型涉及一种电源高频变压器技术领域，尤其是一种变频式开关电源的高频变压器。

背景技术：

电源变压器的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，作为一种主要的软磁电磁元件，在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。

在开关电源中，高频电源变压器是进行电能转换的动力，是决定着开关电源性能好坏的重要部件。变压器在开关电源电路中起着磁耦合、传送电能、储存电能、抑制尖峰电压和尖峰电流的作用。还可以与电容电路构成频率振荡器，产生谐振，调整控制输出电压，实现电压的升降。因此，高频电源变压器的设计是开关电源设计的核心。

而开关电源经变压器输出的电流是否稳定关系到整个电源是否能正常工作，现有技术中一般采用的是普通变压器，其稳定性能相当的差，并且在变压器周围并未设置在频率出现偏差时无法调整，从而影响到变压器输出电源时的稳定性能，同时在电源输出时，其电流控制方法一般采用固定电流限制，这种电路有一个准确设置的最大限制电流，不随负载或者短路情况影响，从而直接将短路或过流的电源输入负载中进行工作，进而导致负载瞬间损坏而无法正常工作，更是影响负载的使用性能。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决上述技术的不足而设计的一种防止电源输出短路过流输出，且电源输出稳定可靠的一种变频式开关电源的高频变压器。

本实用新型所设计的包括一种变频式开关电源的高频变压器，限流稳压模块、PWM控制模块、功率变换模块、反馈模块、抗干扰高频变压器、滤波模块、稳压模块和限流模块；抗干扰高频变压器包括E字型状的软磁铁氧体磁芯、骨架和位于骨架底部的针脚，软磁铁氧体磁芯固定于骨架上，软磁铁氧体磁芯的中间缠绕有初级绕组，初级绕组的外侧缠绕有绝缘衬垫，绝缘衬垫的外侧缠绕有次级绕组，在次级绕组的外侧缠绕胶带，初级绕组和/次级绕组的线圈之间设有铜箔开路带环；限流稳压模块与PWM控制模块相连，PWM控制模块与功率变换模块相连，功率变换模块与抗干扰高频变压器相连，反馈模块连接在PWM控制模块与抗干扰高频变压器的次级绕组之间，滤波模块与稳压模块相连，稳压模块与限流模块相连。

进一步优选，限流稳压模块包括整流二极管、双向稳压二极管、PNP三极管、电阻和PMOS管；整流二极管的正极与限流保护电路的输入端相连，负极与双向稳压二极管的正极相连，双向稳压二极管的负极与限流保护电路的输出端相连； PNP三极管的射级与整流二极管的负极相连，集极与PMOS管的栅极相连，基极与PMOS管的漏极相连，PMOS管的源极与限流保护电路的输出端相连；电阻的两端分别与PNP三极管的射极和PMOS管的漏极相连。

进一步优选，功率变换模块包括MOS管、电阻R52、电阻R51、电阻R41、电阻R40和二极管D3；MOS管的栅极通过一电阻R52连接在直流母线的负极，源极与PWM控制单元相连，源极通过电阻R51连接在母线的负极，漏极通过依次串联整流二极管D3、电阻R41以及电阻R40至母线的负极。

进一步优选，PWM控制模块包括一芯片UC3844A，其第六引脚为PWM信号输出脚，第六引脚通过一电阻五R49连接到mos管的栅极，其第三引脚通过电阻六R50连接到mos管的源极，第八引脚与第四引脚之间连接有电阻R47，第四引脚与母线负极之间连接有电容C28，电阻R47和电容C28决定了第六引脚上输出的PWM波形的占空比，进而影响抗干扰高频变压器次级的电压，第一引脚和第二引脚通过反馈单元4连接到抗干扰高频变压器的针脚上。

进一步优选，反馈模块4包括整流二极管D4、整流二极管D5、电容C27、电阻R44、电阻R48以及电阻R45，整流二极管D4、整流二极管D5将抗干扰高频变压器针脚输出的交流电整成直流电，整流二极管D5的阳极连接抗干扰高频变压器的针脚，整流二极管D5的阴极与整流二极管D4的阳极相连，整流二极管D4的阴极连至芯片UC3844A的第七引脚上，电阻R44的一端连接在整流二极管D4、整流二极管D5之间，另一端连至抗干扰高频变压器的针脚上，在电阻R44的两端并联有电容C39，在整流二极管D4的阴极与抗干扰高频变压器的针脚之间还并联有稳压管ZD1、电容C38以及电容C30；电阻R46、电容C27、电阻R48以及电阻R45将变压器整流后的电压反馈至芯片UC3844A的第一引脚和第二引脚上。

进一步优选，滤波模块由滤波电感L2、电容C11、C12、C13组成。

进一步优选，稳压模块包括差分放大器EA、功率传输PMOS管P1以及输出电压的电阻反馈网络R1和R2，差分放大器EA的负向输入端连接基准电压VREF， PMOS管P1的栅极连接差分放大器EA的输出端，PMOS管P1的源极和衬底连接电源VDD，PMOS管P1的漏极连接电阻R1的一端并作为电压稳压器的输出端OUT，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端和差分放大器EA的正向输入端，电阻R2 的另一端接地。

进一步优选，限流模块，包括PMOS管P2、P3、P4，NMOS管N1以及电阻R3 和R4，PMOS管P2、P3、P4的源极和衬底都连接电源VDD，PMOS管P2的栅极连接电压稳压器中差分放大器EA的输出端，PMOS管P2的漏极连接电阻R3的一端，电阻R3另一端连接电阻R4的一端和NMOS管N1的栅极，电阻R4的另一端接地，NMOS管N1的源极连接电压稳压器的输出端OUT，NMOS管N1的漏极连接PMOS管 P3的漏极和栅极并与PMOS管P4的栅极连接在一起，NMOS管N1的衬底接地， PMOS管P4的漏极连接电压稳压器中差分放大器EA的输出端。

本实用新型所设计的一种变频式开关电源的高频变压器，经本实用新型变压器输出的电源稳定可靠，功率因素高、无谐波干扰、抗电压冲击性强；在调频电路的作用下使得保护负载不受损坏。同时通过提供一个包含非线性器件的电流限制电路来实现限制输出过流，该非线性器件的电流和电压之间是平方关系，这样，电压的一个轻微变化就会导致电流的一个大变化。可以将短路电流减小到小于最大限制电流。在这种器件中，当输出电流大于最大限制电流时，输出电压和电流同时下降。优点是在短路时，不仅能减小稳压和限流模块的功耗，还可以保护负载器件免受过流的影响。

附图说明

图1是实施例1的整体结构示意图；

图2是实施例1的限流稳压模块结构示意图

图3是实施例1的调频的整体模块结构示意图；

图4是实施例1的抗干扰高频变压器结构示意图；

图5是实施例1的变压器磁芯结构示意图；

图6是实施例1的滤波模块结构示意图；

图7是实施例1的稳压和限流模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

如图1-图7所示，本实施例所描述的一种变频式开关电源的高频变压器，限流稳压模块1、PWM控制模块2、功率变换模块3、反馈模块5、抗干扰高频变压器4、滤波模块6、稳压模块7和限流模块8；抗干扰高频变压器4包括E字型状的软磁铁氧体磁芯43、骨架41和位于骨架41底部的针脚42，软磁铁氧体磁芯43固定于骨架41上，软磁铁氧体磁芯43的中间缠绕有初级绕组44，初级绕组44的外侧缠绕有绝缘衬垫46，绝缘衬垫46的外侧缠绕有次级绕组47，在次级绕组47的外侧缠绕胶带，初级绕组44和/次级绕组47的线圈之间设有铜箔开路带环47；限流稳压模块1与PWM控制模块2相连，PWM控制模块2与功率变换模块3相连，功率变换模块3与抗干扰高频变压器4相连，反馈模块5 连接在PWM控制模块2与抗干扰高频变压器4的次级绕组之间，抗干扰高频变压器4和无功补偿电容均与滤波模块相连，滤波模块与稳压模块相连，稳压模块与限流模块相连。

上述结构的设计原理：变压器的输入电路上，利用限流稳压模块将原有低频能量(50HZ以下)传送方式转化为高频能量(1KHZ)传送，以减小变压器整体的能耗，提高电能的转化效率，功率变换模块将电压初步转换，PWM控制模块将产生PWM信号并驱动功率变换单元工作，抗干扰高频变压器将电压更进一步转换，在变压器作用下实现无谐波干扰、抗电压冲击性强的功能，从而实现更好将电压进行更进一步转换，反馈单元将变压器次级绕组电压反馈至PWM控制单元的，然后将进一步变压的电源输入至滤波模块内进行滤波处理，滤波处理完成后经稳压模块进行稳压，稳压完成后进行限流输出电流；同时采用高频输送的变压器在外形设计方面具有体积小、重量轻(体积和重量可减少60％)等优势。变压器的输出电路上接入稳压和限流模块(最大允许电流2A)，使电源电路中电压、电流的输出更加稳定，满足GB3836.4对电源本安要求的规定，增强电源的防爆性能；其中，开路带环既与抗干扰高频变压器的磁芯连接，又可与开关电源的地连接，可起到良好的静电屏蔽作用。而且，开路带环的截面面积不小于6cm2，开路带环的厚度大于1mm。开路带环的磁阻与其截面面积呈线性关系，磁阻表征材料对通过磁通的阻碍特性，磁阻的定义为:R二L/队，L 是磁通路径长度(cm)，A截面面积(cm勺，口为磁导率，口二B/H，H为磁场强度，B为磁通密度。由上可知，对高频电压器，屏蔽材料的导磁率越高、越厚，截面面积越大，则屏蔽效能越高；通过绝缘衬垫46可减小初级绕组44 和次级绕组47之间分布电容的电容量，有利于减小开关电源输出端的共模骚扰: 同时也增大了初级绕组102和次级绕组103之间的绝缘强度，符合绝缘耐压的要求。

本实施例中，E字型状的软磁铁氧体磁芯43，以减小变压器的铁损，降低变压器的能量损耗；同时采用合理的方法，减小一、二次绕组的电阻(电阻可降低50％)，降低变压器的铜损；以进一步降低变压器能耗。

本实施例中，限流稳压模块1包括整流二极管D35、双向稳压二极管D36、 PNP三极管Q4、电阻R31和PMOS管Q5；整流二极管D35的正极与限流保护电路的输入端相连，负极与双向稳压二极管D36的正极相连，双向稳压二极管D36 的负极与限流保护电路的输出端相连；PNP三极管Q4的射极与整流二极管D35 的负极相连，集极与PMOS管Q5的栅极相连，基极与PMOS管Q5的漏极相连， PMOS管Q5的源极与限流保护电路的输出端相连；电阻R31的两端分别与PNP三极管Q4的射极和PMOS管Q5的漏极相连。整流二极管D35的型号采用1N4007， PNP三极管的型号采用9012；其结构整流二极管和双向稳压二极管用于防止电源正负极反接对电路造成损害。整流二极管lN4007的耐反压特性用于防止反接造成的伤害，双向稳压二极管用于保持双向电压的稳定。

上述电路结构中，当PNP二极管的基极到射极的电压超过导通电压时，PNP 三极管导通:当NP三极管的基根到射极的电压小于导通电压时，PNP三极管断开。因此，电路中的电流上限值被限定为PNP三极管的基极到射极的导通电压与PNP三极管的基极到射极的阻值之比。通过选取不同的PNP三极管的基极到射极的阻值，即可设置不同的电流上限值。当电路中电流超过设置的上限值后会自动断开整个电路，从而实现限流保护。

当PMOS管的栅极电压为低电平时，PMOS管导通:当PMOS管的栅极电压为高电平时，PMOS管断开。

当电路中电流值未超过设置的上限值时，PNP三极管断开，电流不通过PNP 三极管而直接流向PMOS管再输出:当电路中电流值超过设置的上限值时，PNP 三极管导通，电流通过PNP三极管，而PMOS管由于的栅极电压为高电平而断开，从而使得整个电路断开，达到了整个电路的限流保护作用。

综上所述，实现在电流在进入变压器前就进行更好限流稳压，同时通过设置整流二极管来防止电源正负极反接；通过采用不同的PNP三极管来设置电流的上限值，当电路中电流超过设置值后会自动断开整个电路:当电流超过设定值时，能够高速断流，且易于恢复原电路，可为任何直流电路提供限流保护:成本低，实用性强。

本实施例中，功率变换模块包括MOS管TR2、电阻R52、电阻R51、电阻R41、电阻R40和二极管D3；MOS管的栅极通过一电阻R52连接在直流母线的负极，源极与PWM控制单元相连，源极通过电阻R51连接在母线的负极，漏极通过依次串联整流二极管D3、电阻R41以及电阻R40至母线的负极。PWM控制模块包括一芯片UC3844A，其第六引脚为PWM信号输出脚，第六引脚通过一电阻五R49连接到mos管的栅极，其第三引脚通过电阻六R50连接到mos 管的源极，第八引脚与第四引脚之间连接有电阻R47，第四引脚与母线负极之间连接有电容C28，电阻R47和电容C28决定了第六引脚上输出的PWM波形的占空比，进而影响抗干扰高频变压器次级的电压，第一引脚和第二引脚通过反馈单元4连接到抗干扰高频变压器的针脚上。

反馈模块4包括整流二极管D4、整流二极管D5、电容C27、电阻R44、电阻R48以及电阻R45，整流二极管D4、整流二极管D5将抗干扰高频变压器针脚输出的交流电整成直流电，整流二极管D5的阳极连接抗干扰高频变压器的针脚，整流二极管D5的阴极与整流二极管D4的阳极相连，整流二极管D4的阴极连至芯片UC3844A的第七引脚上，电阻R44的一端连接在整流二极管D4、整流二极管D5之间，另一端连至抗干扰高频变压器的针脚上，在电阻R44的两端并联有电容C39，在整流二极管D4的阴极与抗干扰高频变压器的针脚之间还并联有稳压管ZD1、电容C38以及电容C30；电阻R46、电容C27、电阻R48以及电阻R45将变压器整流后的电压反馈至芯片UC3844A的第一引脚和第二引脚上。上述结构中，芯片UC3844A的供电即由变压器的自供电绕组的21引脚输出电压经二极管D5、电容C39、二极管D4、电容C38整流滤波成直流电压供给。电源启动后，芯片UC3844A的第八引脚输出5V基准电压以给第八、第四脚之间的R、 C振荡定时电路的供电，芯片UC3844A的第一、第二脚之间所并联R、C元件，构成了内部电压误差放大器的反馈回路，决定了放大器的增益和频率传输特性；芯片UC3844A的第六脚内部为PWM波形成电路，振荡脉冲由第六脚输出，由R52 消噪和mos管TR2内部正向限幅，经电阻R49加到mos管TR2的栅极，mos管 TR2的导通，形成了抗干扰高频变压器初级绕组中的电流，抗干扰高频变压器的自供电绕组、次级绕组随即产生感生电压，并经负载电路形成输出电流通路。抗干扰高频变压器初级绕组中的电流，在电阻R51电流采样电阻上，产生压降信号，此电流采样信号经电阻R50输入到芯片UC3844A的第三脚，与内部电路基准电压比较，产生控制信号送后级PWM波形成电路。因电流采样信号能对主绕组电流变化做出快速反应，使整体电路有较好的电流控制性能，在过流程度较轻时，电流的闭环控制，使输出电流减小，在过流程度较重时，使开关电源停振，保护了开关管和后级负载电路的安全。

本实施例中，滤波模块由滤波电感L2、电容C11、C12、C13组成。其滤波模块与抗干扰高频变压器的次级线圈相连。

本实施例中，稳压和限流模块构成稳压限流模块，包括差分放大器EA，功率传输管P1，以及输出电压的电阻反馈网络R1和R2。其中差分放大器EA的输入端分为正向输入和反向输入，分别标注为+和-，其中正向输入端接R1和R2 的连接端，负向输入端接基准电压VREF。差分放大器EA的输出接功率传输管 P1的栅极。功率传输管P1的漏极接电阻R1的一端，并提供输出电压OUT，功率传输管P1源极和衬底一起接至VDD。电阻R1的另一端连接电阻R2的一端和差分放大器EA的正向输入端，电阻R2的另一端接地。其工作原理为，OUT电压通过电阻反馈网络R1和R2输出到差分放大器EA的正向输入端，同基准电压VREF 进行比较，EA的输出信号控制OUT保持稳定。当OUT下降时，EA的正向端电压下降，导致小于VREF，EA输出电压下降，控制P1栅极电位下降，从而提升P1 漏端电压，即OUT上升。反之亦然。

PART2部分为限流电路，连接于PART1部分的输出上，包括PMOS管的P2， P3，P4，NMOS管的N1以及电阻网络R3和R4。其中P2，P3，P4的源极和衬底都接至VDD，P2的栅极接至差分放大器EA的输出，P2的漏极接至电阻R3一端，电阻R3另一端接至电阻R4一端，并接至N1的栅极，电阻R4的另一端接地。 N1的源极接至OUT，N1的漏极接至P3的漏极，并且P3的漏极和其栅极连接在一起同时连接P4的栅极，N1的衬底接地，P4的漏极接至EA输出和P1栅极的连接点。其工作原理为，通过镜像负载电流，P2输出电流到电阻网络R3和R4 上，R4的分压为N1栅极提供工作电压。当VG(N1)-VS(N1)<VTH(N1)时， VG(N1)是N1的栅极电位，VS(N1)是N1的源极电位，VTH(N1)是N1的阈值，那么N1处于关闭状态，同时与其串联的P3管没有电流，P3管的镜像管 P4也没有电流，因此折返限流电路不影响PART1传统的线性稳压器的正常工作。

当VG(N1)-VS(N1)>VTH(N1)时，那么N1处于开启状态，NMOS管饱和导通电流满足：(VDS＞VGS-VTH条件下)μn为电子载流子的迁移率，COX为单位面积的栅氧化层电容，W/L为输出管的宽长比，VGS为NMOS管的栅源电压差， VTH为NMOS管阈值。同时P3和P4也有电流流过，P4的电流将EA的输出端电压向上拉升，从而提高P1栅极电位，起到减小P1驱动能力的作用，即减小流过P1的驱动电流。极限情况下，当P4的上拉电流能力远大于EA的下拉电流能力时，P1的栅极电位会被拉至VDD，从而完全关闭P1管，即没有输出电流。利用P2尺寸、R3和R4电阻值，设置合适的N1栅极电位、P3和P4的尺寸来调整 P4的上拉电流能力，那么当出现OUT＝0时，N1会马上导通，带动P3和P4导通，并通过P4上拉电流将短路电流由大电流拉迅速拉低，限制在一个比较小的范围内，最终稳定下来，实现短路电流折返功能，起到保护的作用。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。