CN201374233Y - 一种开关电源变压器 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种开关电源变压器，包括磁芯、与磁芯配套的骨架，所述磁芯包括若干个边柱、一个中心柱，所述若干个边柱分别设于中心柱四周，所述若干个边柱的截面积分别相等且若干个边柱的截面积之和等于所述中心柱的截面积。本实用新型无需增加额外的线性稳压电路或磁放大器即可实现低电压、大电流、多路输出，提高了变压器的输出电压的精确度。本实用新型可靠性强，也没有增加变压器的体积和损耗。

Description

一种开关电源变压器

技术领域

本实用新型涉及一种新型开关电源变压器，特别涉及一种具备超低电压、大电流、多路输出且后级不需要采用线性稳压的开关电源变压器。

背景技术

现代集成电路为了适应后备电源(电池)供电工作，工作电压越来越低，很多芯片现在采用超低的工作电压，如1.8伏，甚至为1.2伏。然而现在的开关电源为了减小体积，工作频率越来越高，现在大部分开关电源的工作频率也超过了100KHz，甚至有部分厂家采用了1MHz的工作频率。这样变压器的绕组匝数就变得很少，对于低电压输出的次级为一匝多，或者不到一匝，如果将其取整，变压器的体积将变大，同时变压器的铜损也增加了；此外，如果变压器为多路输出，只有其中一路闭环调节，而其它各路需要较精确的匝比来获得满意的输出电压精度。如果次级绕组在理论计算的结果上取整，则输出的电压误差十分大，为了得到精确的电压，在后级不得不加线性稳压，开关调节或磁放大器，但这样做增大了变压器体积及损耗，使电路更复杂，可靠性变差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种新型的电源变压器，在不增加后级稳压电路的情况下使输出电压满足低电压需求。

为达到上述目的，本实用新型采取如下技术方案：

一种开关电源变压器，包括磁芯、与磁芯配套的骨架，所述磁芯包括若干个边柱、一个中心柱，所述若干个边柱分别设于中心柱四周，所述若干个边柱的截面积分别相等且若干个边柱的截面积之和等于所述中心柱的截面积。所述若干个边柱的每一边柱与中心柱的连接部分的截面积等于每一边柱的截面积。优选的，所述磁芯包括四个边柱，一个中心柱。

所述中心柱上设有初级绕组和次级整数倍绕组。所述初级和次级紧密耦合。所述每一边柱上还设有不满一匝的次级绕组，所述不满一匝的次级绕组按输出电流平均分布在每一边柱上。

所述每一边柱之间还设有平衡绕组。所述中心柱上还设有气隙，所述气隙的长度小于中心柱截面的二十分之一，所述气隙设于中心柱的上分段。

本实用新型无需增加额外的线性稳压电路或磁放大器即可实现低电压、大电流、多路输出，提高了变压器的输出电压的精确度。本实用新型可靠性强，也没有增加变压器的体积和损耗。

附图说明

图1(a)至图1(c)是本实用新型的磁芯结构示意图。

图2是本实用新型的配套骨架的立体图。

图3是本实用新型的磁芯与骨架装配后的立体图。

具体实施例

下面结合附图对本实用新型作进一步描述：

如图1(a)、图1(b)、图1(c)、图2、图3所示，一种开关电源变压器，包括磁芯10、与磁芯配套的骨架20，所述磁芯包括若干个边柱、一个中心柱，所述若干个边柱分别设于中心柱四周，所述若干个边柱的截面积分别相等且若干个边柱的截面积之和等于所述中心柱的截面积，所述若干个边柱的每一边柱与中心柱的连接部分的截面积等于每一边柱的截面积。

优选的，所述磁芯包括四个边柱10A、10B、10C、10D和一个中心柱10E，所述四个边柱10A、10B、10C、10D分别设于中心柱10E的四周，所述每一边柱10A、10B、10C、10D的截面积分别相等且四个边柱10A、10B、10C、10D的截面积之和等于所述中心柱10E的截面积。所述每一边柱10A、10B、10C、10D与中心柱10E的连接部分的截面积等于每一边柱的截面积。

具体得讲，假设一变压器，初级绕组为Np匝，绕于中心柱10E上，根据电磁感应定律可以得到每匝的磁通变化量：

$\frac{\mathrm{Ui}}{\mathrm{Np}}=\mathrm{Ae}*\frac{\mathrm{\ΔB}}{\mathrm{Ton}}$ (式一)

公式中符号说明如下：

Ton为电压Ui加载初级绕组上的时间S(秒)；

ΔB为在Ton时间里，磁芯中磁通密度的增量T(特斯拉)；

Ae为磁芯中心柱的有效截面积M²(平方米)；

Δφ为在Ton时间里，磁芯中磁通量的增量。

因每一边柱10A、10B、10C、10D的截面积A1等于中心柱10E Ae的四分之一，如果在一边柱上绕一匝，则由电磁感应定律得到输出电压为：

$\mathrm{Uo}=\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}=A1*\frac{\mathrm{\ΔB}}{\mathrm{Ton}}$ (式二)

由于： $A1=\frac{1}{4}\mathrm{Ae}$ (式三)

则有： $\mathrm{Uo}=\frac{1}{4}*\mathrm{Ae}*\frac{\mathrm{\ΔB}}{\mathrm{Ton}}$ (式四)

将(式一)带入(式四)中，得到：

$\mathrm{Uo}=\frac{1}{4}*\frac{\mathrm{Ui}}{\mathrm{Np}}$ (式五)

由(式一)可知，在中心柱10E上绕一匝式，两端感应电压为Ui/Np，而由式五可知，在任一边柱上绕一匝得到的电压为中心柱10E的四分之一，从等效上来说，每一边柱10A、10B、10C、10D上一匝绕组等于中心柱10E上四分之一匝绕组，即这种结构比传统只绕在中心柱10E上的结构得到电压的精度提高了四倍。由此可见，边柱越多，输出电压精度越高，可以在不需要后级稳压电路的基础上使输出电压满足要求。这种磁芯有四个边柱10A、10B、10C、10D和一个中心柱10E，四个边柱10A、10B、10C、10D的截面积相等且之和严格等于中心柱10E截面积，即R＝2r。同时每一边柱10A、10B、10C、10D与中心柱10E的连接部分截面积等于每一边柱10A、10B、10C、10D的截面积。

所述中心柱10E上设有初级绕组和次级整数倍绕组。所述初级和次级紧密耦合。所述每一边柱10A、10B、10C、10D上还设有不满一匝的次级绕组，所述不满一匝的次级绕组按输出电流平均分布在每一边柱10A、10B、10C、10D上。这是因为磁芯的磁导率不是无穷大，变压器不可避免的存在散磁与漏磁，所以应将次级的整数匝尽量绕在中心柱10E上，且与初级紧密耦合；同时在边柱上的绕组匝数尽量按电流平均分配到所有边柱上去，以尽量减小漏感，提高负载交叉调整率。

所述每一边柱10A、10B、10C、10D之间还设有平衡绕组。因为变压器在工作的过程中，如果各边柱之间存在磁通不平衡，严重影响了电源的交叉调整率，可以在各边柱之间加平衡绕组，以减小磁通不平衡度。

所述中心柱10E上还设有气隙，所述气隙的长度小于中心柱10E截面的二十分之一，所述气隙设于中心柱10E的上分段。即如果磁芯要磨气隙，要尽量放在中心柱10E上，且尽量短。在一般情况下，气隙长度小于中心柱10E截面几何尺寸的二十分之一，如果气隙尺寸超出这一范围，气隙最好在中心柱10E上分段，或者用较低磁导率材料代替气隙。采用这些方法可以减小漏磁、散磁及边缘磁通。

如图3所示，一个完整的变压器是由两个相同的磁芯10和一个配套的骨架20组合而成。将初级绕组绕于中心柱绕线柱上，将次级的整数匝数也绕于中心柱绕线柱上，最好采用三明治绕法，或者多段绕线法(适应于200KHz以上的工作频率，以降低邻近效应损耗)；次级不满一匝的各绕组按输出电流平均绕于绕线柱上，以提高电源的负载交叉调整率。当变压器绕好之后，两块磁芯从骨架的两端插入，并加以固定。

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本实用新型的，本领域普通技术人员可在不脱离本实用新型思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本实用新型的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (8)

1、一种开关电源变压器，包括磁芯、与磁芯配套的骨架，其特征是：所述磁芯包括若干个边柱、一个中心柱，所述若干个边柱分别设于中心柱四周，所述若干个边柱的截面积分别相等且若干个边柱的截面积之和等于所述中心柱的截面积。

2、根据权利要求1所述的一种开关电源变压器，其特征是：所述若干个边柱的每一边柱与中心柱的连接部分的截面积等于每一边柱的截面积。

3、根据权利要求1所述的一种开关电源变压器，其特征是：所述磁芯包括四个边柱。

4、根据权利要求1所述的一种开关电源变压器，其特征是：所述中心柱上设有初级绕组和次级整数倍绕组。

5、根据权利要求1所述的一种开关电源变压器，其特征是：所述每一边柱上还设有不满一匝的次级绕组，所述不满一匝的次级绕组按输出电流平均分布在每一边柱上。

6、根据权利要求1所述的一种开关电源变压器，其特征是：所述每一边柱之间还设有平衡绕组。

7、根据权利要求1所述的一种开关电源变压器，其特征是：所述中心柱上还设有气隙，所述气隙的长度小于中心柱截面几何尺寸的二十分之一。

8、根据权利要求1所述的一种开关电源变压器，其特征是：所述中心柱上还设有气隙，所述气隙设于中心柱的上分段。

Images