高頻變壓器飽和電流測試裝置的設計

楊道忠，羅中良，陳治明，林鋒洲

（1.惠州天陽精密科技有限公司，惠州 516000； 2.惠州學院，惠州 516007）

引言

開關電源是近年來應用非常廣泛的一種電源，其質量的好壞直接影響到電子設備的可靠性。磁性元件高頻變壓器是開關電源中的重要部件，在電子線路中，經常因為高頻變壓器設計的不合理導致高頻變壓器發生磁飽和從而損壞開關電源設備，所以測試高頻變壓器的飽和電流值是非常重要的。在不具備專業設備的條件下，測試高頻變壓器磁飽和電流是比較困難的。

目前，在高頻變壓器磁飽和電流的檢測方面，還沒有形成普遍統一的通用檢測方法。現在技術上對磁飽和電流的檢測主要是通過電阻、電解電容和電感構成充放電回路。外部直流電源先給電解電容充電，電壓達到穩定后放電接通變壓器初級回路，用數字示波器觀察檢測串聯在初級繞組的電阻電壓波形，計算出飽和電流。在對變壓器可靠性評估過程中，該測試方法存在以下不足：無法直接測試變壓器不同溫度下的飽和電流；電解電容C的容量過大導致電源充電時間太長，延長測試周期；無法測試小感量元件，測試感量一般大于50uH且測試結果存在較大的誤差。

高頻變壓器在開關電源各種拓撲結構中的穩定性、高效性設計占重要位置。本論文設計出一種高效、可靠的高頻變壓器飽和電流測試裝置，該飽和電流測試方法與其他測試方法相比有測試簡單實用，并能夠準確地測試出飽和電流值、縮短了電路設計的開發周期 。

1 測試裝置基本原理與設計

1.1 高頻變壓器磁飽和原理

“磁飽和”是飽和磁化強度的簡稱，是鐵磁性物質的一個特性。在外磁場的作用下鐵磁性物質將被磁化，開始時，隨著外磁場強度的逐漸增加，物質的磁化強度也不斷增大。當外磁場的強度（電感線圈電流）達到一定程度后，物質的磁化強度便不再增加而保持在一個穩定的數值上。這時，就稱高頻變壓器達到了磁飽和狀態，或稱飽和磁化狀態。這個穩定的磁化強度值就叫做高頻變壓器的飽和磁化強度，這個臨界點電流稱之為高頻變壓器的飽和電流。

1.2 測試裝置的設計與測試步驟

1.2.1 飽和電流檢測方法的設計

變壓器飽和電流的測試主要是檢測初級電感電流曲線出現拐點的電流值。如圖1所示，單片機通過AD轉換電路檢測串聯在初級繞組上的采樣電阻兩端的電壓，通過程序算法將出現拐點處的電壓值轉換為電流值顯示在飽和電流顯示窗口，該顯示值為高頻變壓器飽和電流值；溫度采樣電路通過感溫探頭檢測高頻變壓器實際溫度信息到單片機，單片機將實際溫度數據顯示在溫度顯示窗口。

高頻變壓器設計一般都是在室溫中進行，而高頻變壓器工作的實際溫度通常遠大于室溫溫度（一般在90℃左右）。只要長時間將觸發點閉合，通過直流電源對初級繞組兩端加熱至所需測試溫度，即可測試出不同溫度下高頻變壓器的飽和電流。

1.2.2 高頻變壓器飽和電流測試步驟

圖1中，測試裝置主要包括直流電源和單片機電路兩大模塊。首先設置直流電源輸出電壓值大小和最大輸出電流值大小，電壓值關系到電流曲線從零至出現拐點處的時間，考慮到A/D轉換接口電路的轉換速度，該電壓不可取值過大，一般取值為12V。輸出電流大小主要是關系到給初級繞組加熱至所需溫度的時間，由于大電流可能損壞繞線，所以該電流不可取值過大，一般取值為1A。

單片機電路外部接口主要有采樣電阻接口和溫度采樣電路接口。采樣電阻接口串聯在初級繞組上，溫度采樣電路接口直接粘貼于高頻變壓器磁芯與線包縫隙間。兩個不同接口對應著不同的程序流程，如圖2和圖3所示。

圖2是單片機電路的溫度測試程序流程圖。當觸發點閉合時，相當于直流給初級繞組加熱，同時MCU電路對繞組進行溫度采樣，但溫度顯示窗口為所需預設溫度時斷開連接觸發點，進入飽和電流測試階段。

圖3是單片機電路的飽和電流測試程序流程圖。當觸發點不斷觸發時，相當于檢測當前溫度下高頻變壓器的飽和電流。采樣電阻檢測采樣信號后通過A/D轉換為數字型號傳送給MCU電路進行數據處理。MCU電路記錄前十組數據并計算出該數據的斜率值存入數據存儲器，下一組數據到來時判斷是否在此斜率曲線上，如不在此斜率曲線上即判斷為此處是電流波形的拐點值，得到拐點值數據后MCU電路將此數據進行處理后通過顯示電路顯示出來。用戶只需讀取飽和電流顯示窗口和溫度顯示窗口的值，即可方便地得到不同溫度下高頻變壓器的飽和電流值。

圖1 飽和電流測試裝置結構圖

圖2 繞組溫度測試程序流程圖

2 飽和電流曲線測試實例

圖3 飽和電流測試程序流程圖

圖4 室溫測試電流波形

圖5 50℃測試電流波形

圖6 90℃測試電流波形

圖7 110℃測試電流波形

由于變壓器飽和電流的測試主要是檢測初級電感電流曲線出現拐點的電流值。以下實例主要通過借助數字示波器的電流探頭，實際測量不同溫度下高頻變壓器初級繞組的電流波形來驗證以上測試裝置單片機電路捕捉拐點電流的可行性。如圖4為室溫測試時的高頻變壓器電流波形，對應的飽和電流為1.48A；圖5為50℃測試時的高頻變壓器電流波形，對應的飽和電流為1.36A；圖6為90℃測試時的高頻變壓器電流波形，對應的飽和電流為1.10A；圖7為110℃測試時的高頻變壓器電流波形，對應的飽和電流為1.10A。從圖4-7可以看出不同溫度下高頻變壓器飽和電流值是不同的，在溫度升高的同時，飽和電流呈下降的趨勢，這為具體產品設計時飽和電流應考慮其工作環境溫度，以避免采用常溫數值進行產品設計出現的缺陷。

3 結論

變壓器飽和電流的測試主要是檢測初級電感電流曲線出現拐點的電流值。本設計測試飽和電流裝置，主要是A/D轉換電路和溫度采樣電路檢測信息傳輸到單片機上，單片機通過程序算法將飽和電流和實際溫度值顯示出來，能夠高效、可靠的測試出不同溫度下高頻變壓器飽和電流值。該裝置能夠在開關電源設計的過程中方便工程師對高頻變壓器的評估，準確地設計出合理的高頻變壓器參數，縮短開發周期，提高所開發產品的可靠性。

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