CN113380514A - 超宽带隔离变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带隔离变压器，包括磁心，初级绕组和次级绕组，所述初级绕组为第一导线和第二导线串联组成的抽头双绕组结构，所述次级绕组为第三导线和第四导线串联组成的抽头双绕组结构，初级绕组和次级绕组扭绞成双绞线，二者匝数比为1:1，且耦合系数接近1，所述双绞线缠绕在磁心上。本发明能明显降低变压器插入损耗，使变压器不再局限于3dB带宽限制，提供了0.1MHz～300MHz全频带损耗低于0.6dB的实现基础。同时还具备高于800V的级间耐压，提高了产品的可靠性。同时具备了拓展性，其工作频带的高端能进一步拓宽到6GHz以上的使用频率。加工方法简单，结构一致性较强，有效的降低了加工制作成本。

Description

超宽带隔离变压器

技术领域

本发明涉及一种变压器结构，尤其涉及一种超宽带隔离变压器。

背景技术

超宽带隔离变压器广泛应用于各种功率等级的电源变换、信号隔离等电路，在电路中主要起隔离、变压、阻抗变换、芯片驱动、抑制波形失真等作用。其具有工作频率宽、性能一致性好、体积小等特点，是射频、中频电路、电源中不可或缺的磁性元件，可应用在多种装备平台中，是影响整个系统的体积大小和性能的关键器件。

超宽带隔离变压器的典型应用主要有如下三种：（1）第一种是用于宽带巴伦变换，可以起到隔离直流、进行平衡-不平衡变换、端口阻抗匹配的作用，有效降低差分信号受噪声和串扰的影响，提高信号传输效率，多用于射频功放模块推挽电路、收发天线系统、通信系统中。（2）第二种是作为脉冲信号变压器使用。为提高整个系统的可靠性、稳定性，当前采用集中式电源系统已经远远不能满足要求，分布式供电已经成为目前的主流解决方案，在现代相控阵雷达系统中，每一个T/R组件都是配有一个独立的电源，这样就势必会造成整个系统体积和重量的增加，同时由于电源数量的增多，其稳定性、可靠性要求也非常高。为减轻设备重量、缩小设备体积，现代电子设备普遍采用高频开关电源。而开关电源中实现能量转换的核心元器件无疑就是宽带隔离变压器。宽带隔离变压器的重量、体积以及工作的稳定性、可靠性对整个电源系统具有至关重要的作用。（3）第三种是作为电源变压器使用。在一些电源所用的收发芯片中，需要使用宽带隔离变压器提高电压用以驱动芯片正常工作同时起到隔离电压的作用，用于保护在重要设备中的供电电源。采用宽带隔离变压器可有效提高设备供电的可靠性和效率。

但随着电子信息技术的发展，对超宽带隔离变压器的需求也越来越高。超宽带隔离变压器应保证以下两点要求：（1）宽频带低功耗；（2）高隔离。第（1）点要求超宽带隔离变压器不仅工作频率宽，而且频带内插入损耗足够低。而宽带隔离变压器的高、低频的电性能设计是相互制约的，具有较高的设计难度。第（2）点要求超宽带隔离变压器具有足够高的隔离电压。为实现这一目标，传统设计方法是采用隔离式绕组设计变压器，包括乱绕、分层平绕、分段分层绕等，这些绕法都存在耦合系数小、漏感大的问题，造成变压器的损耗较大。

为了更好的说明现有技术的缺陷，我们结合说明书附图的图1、图2来举例：图1给出了一种常见的宽带隔离变压器电路——集中参数的隔离式绕组结构绕制变压器，其包括变压器初级线圈、矩形磁心和次级线圈。所述初级线圈和次级线圈均采用漆包线乱绕、分层平绕或分段分层绕而成，所述矩形磁心选用软磁铁氧体材料制作而成。这种变压器以磁场耦合为主，以获得较高的级间隔离电压。这种结构的缺点为：该结构在实际工作状态下，由于绕组线圈实际物理结构的原因，电压和电流从初级绕组以磁场为路径传到次级绕组时就会产生磁通。磁场流通遵循最小电磁阻力的路径，初级绕组线圈产生的磁通并不会全部通过次级绕组线圈。未通过次级绕组线圈你的磁通即漏磁通会导致变压器能量损耗，产生漏感，如图2所示，导致变压器带宽变窄、效率降低、损耗增大。

因此，在宽带范围内设计一个低损耗、高隔离的超宽带隔离变压器具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，具有宽带低损耗、高隔离的超宽带隔离变压器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种超宽带隔离变压器，包括磁心，初级绕组和次级绕组，所述初级绕组为第一导线和第二导线串联组成的抽头双绕组结构，包括位于中部的抽头端P1，和两个尾端P2、P3；所述次级绕组为第三导线和第四导线串联组成的抽头双绕组结构，包括位于中部的抽头端P4，和两个尾端P5、P6；

初级绕组和次级绕组扭绞成双绞线，二者匝数比为1:1，且耦合系数为0.9-0.99。

所述双绞线缠绕在磁心上，抽头端位于中间，尾端位于两端；所述双绞线长度小于λ/4；所述λ为传输信号的波长。

作为优选：所述磁心采用宽温低损耗的软磁铁氧体制成。

作为优选：所述第一导线、第二导线、第三导线、第四导线均为绝缘导线。

本发明中：初级绕组和次级绕组都采用两根绝缘导线串联组成的抽头双绕组结构，再将初级绕组和次级绕组扭绞构成双绞线，具有稳定的特性阻抗，组成初级绕组、次级绕组的扭绞双线捻度足够大，使耦合系数接近于1，此时即可以得到耦合系数最大化的初级绕组、次级绕组结构，也避免了传输线变压器无法进行初、次级电压隔离的缺点。

初级绕组由第一导线、第二导线组成串联构成抽头双绕组结构，其中P1、P2、P3构成变压器的初级，所述次绕组由第三导线、第四导线串联构成抽头双绕组结构，其P4、P5、6脚构成变压器次级。所述初级线圈绕组和次级线圈绕组之间的匝数比为1:1，以实现1：1阻抗比，也就是阻抗匹配。所述的抽头双绕组结构保证了变压器在0.1MHz低频端和300MHz高频端电性能满足要求，同时保证产品的小型化、低失真以及用作不平衡-平衡变换时的平衡度。

初、次级绕组间具有电场耦合，其电场耦合是通过两线间的耦合电容感应出电压信号的，且使扭绞双线的长度小于λ/4。传输线双线间耦合信号的强弱与频率相关，频率越高则耦合越强，因此需确保低频端耦合系数。变压器的低端频率点电性能由变压器电感量决定，电感量越大，工作频率点越低，通过适当提高绕组匝数来实现大电感量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明技术方案是提供一种基于传输线变压器原理的超宽带隔离变压器结构，该结构相对传统的隔离式绕组结构，可以明显降低变压器插入损耗，使变压器不再局限于3dB带宽限制，提供了0.1MHz～300MHz全频带损耗低于0.6dB的实现基础。同时还具备高于800V的级间耐压，提高了产品的可靠性。

（2）基于传输线变压器原理的超宽带隔离变压器具备了更多的功能和拓展性，变压器具备级间耐压隔离功能，通过传输线特性阻抗进行设计，其与初、次级端口阻抗匹配，其工作频带的高端将进一步拓宽，可以达到6GHz以上的使用频率，且实现了宽带不平衡-平衡变换。

（3）本发明技术方案加工方法简单，结构一致性较强，有效的降低了加工制作成本。

附图说明

图1为现有技术中宽带隔离变压器结构图；

图2为图1结构变压器的磁通、漏磁通示意图；

图3为本发明结构示意图；

图4为本发明中带抽头的双扭绞线条的隔离变压器原理图；

图5为本发明中双扭绞线的结构示意图；

图6为磁心结构示意图；

图7为本发明的插损曲线图；

图8为实施例3原理图。

图中：1、初级线圈；2、次级线圈；3、矩形磁心；4、漏磁通；5、两线圈的磁通交链；6、第一导线；7、第二导线；8、第三导线；9、第四导线；10、磁心；11、双绞线；12、初级绕组；13、次级绕组。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1和图2，一种常见的宽带隔离变压器电路——集中参数的隔离式绕组结构绕制变压器，其包括变压器的初级线圈1、矩形磁心3和次级线圈2。所述初级线圈1和次级线圈2均采用漆包线乱绕、分层平绕或分段分层绕而成，所述矩形磁心3选用软磁铁氧体材料制作而成。这种变压器以磁场耦合为主，以获得较高的级间隔离电压。该结构在实际工作状态下，由于绕组线圈实际物理结构的原因，电压和电流从初级线圈1以磁场为路径传到次级线圈2时就会产生磁通，如图2所示的两线圈的磁通交链5。磁场流通遵循最小电磁阻力的路径，初级线圈1产生的磁通并不会全部通过次级线圈2。未通过次级线圈2的磁通即漏磁通4，会导致变压器能量损耗，产生漏感，如图2所示，导致变压器带宽变窄、效率降低、损耗增大。

实施例2：参见图3-图7，一种超宽带隔离变压器，包括磁心10，初级绕组12和次级绕组13，所述初级绕组12为第一导线6和第二导线7串联组成的抽头双绕组结构，包括位于中部的抽头端P1，和两个尾端P2、P3；所述次级绕组13为第三导线8和第四导线9串联组成的抽头双绕组结构，包括位于中部的抽头端P4，和两个尾端P5、P6；

初级绕组12和次级绕组13扭绞成双绞线11，二者匝数比为1:1，且耦合系数为0.9-0.99。

所述双绞线11缠绕在磁心10上，抽头端位于中间，尾端位于两端；所述双绞线11长度小于λ/4；所述λ为传输信号的波长。

本实施例中：所述磁心10采用宽温低损耗的软磁铁氧体制成。所述第一导线6、第二导线7、第三导线8、第四导线9均为绝缘导线。

其中，初级绕组12和次级绕组13均是由两根导线构成的具有稳定特性阻抗的传输线，当初级绕组12和次级绕组13扭绞成双绞线11时，我们需要使双绞线11捻度足够大，耦合系数接近于1。本发明中，耦合系数为0.9-0.99。

为了更好的说明本发明产品的技术效果，我们在常温条件使用矢量网络分析仪测试实物，得到图7，图7为本发明产品在常温条件使用矢量网络分析仪测试实物数据后绘制的插损曲线图。测试时起始频率为0.1MHz,截止频率为300MHz。从图中可以看出，本发明产品在0.1MHz的插入损耗低于0.6dB，在300MHz的插入损耗低于0.29dB，远小于同类产品3.6dB的总损耗，可有效提升射频信号传输效率。

实施例3：本发明产品，基于传输线变压器原理的超宽带隔离变压器具备了更多的功能和拓展性，参见图8，如果在具体使用中不考虑耐压隔离功能，可以改变变压器的焊接方式，将其变为传统不平衡：平衡变换的射频变压器。同时通过传输线特性阻抗进行设计，即通过控制传输线扭绞的捻度和选用导线的直径可以调整传输线的特性阻抗，使其与初、次级端口阻抗匹配，其工作频带的高端将进一步拓宽，可以达到6GHz以上的使用频率，且实现了宽带不平衡-平衡变换。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种超宽带隔离变压器，包括磁心（10），初级绕组（12）和次级绕组（13），其特征在于：所述初级绕组（12）为第一导线（6）和第二导线（7）串联组成的抽头双绕组结构，包括位于中部的抽头端P1，和两个尾端P2、P3；所述次级绕组（13）为第三导线（8）和第四导线（9）串联组成的抽头双绕组结构，包括位于中部的抽头端P4，和两个尾端P5、P6；

初级绕组（12）和次级绕组（13）扭绞成双绞线（11），二者匝数比为1:1，且耦合系数为0.9-0.99；

所述双绞线（11）缠绕在磁心（10）上，抽头端位于中间，尾端位于两端；所述双绞线（11）长度小于λ/4；所述λ为传输信号的波长。

2.根据权利要求1所述的超宽带隔离变压器，其特征在于：所述磁心（10）采用宽温低损耗的软磁铁氧体制成。

3.根据权利要求1所述的超宽带隔离变压器，其特征在于：所述第一导线（6）、第二导线（7）、第三导线（8）、第四导线（9）均为绝缘导线。

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