网络变压器和连接器的设计及应用.doc
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1、简 介A.变压器的最基本型式包括两组,绕有导线之线圈,并且彼此以电感方式耦合一起,当一交流电流(具有某一己知频率)流于其中之一组线圈时,于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压,而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度,变压器区分为升压与降压变压器两种,大部分的变压器均有固定的铁芯,其上绕有一次与二次的线圈.变压器之主要构造可分为下述三项: 铁芯由:铁钴、镍等合金之导磁材料构成,作为导磁回路籍以增强电磁感应作用,提高变压器之电磁转换效率. 线圈:以铜铝及其合金作成导电回路,围绕于铁芯之上,用来传送输入及输出之电流. 绝缘物:包含各种固态、液态及汽态之不导电绝缘材料.如纸,纱,漆,陶瓷
2、,树脂及N2,CO2,SF6 等汽体.用以支持隔离导电回路及协助散热,冷却.2.变压器分类:依频率分为:高频变压器 低频变压器 音频变压器 . 依材料分为:矽钢片变压器 镍钢片变压器 IRON POWER变压器 KOOL变压器 矽钢卷变压器 Ferrite变压器. 依功能分为:低频电源变压器 高压变压器 线性滤波器 镇流器 高频电源变压器 电流变压器 DC/AC逆交变压器 网络变压器 通讯变压器 通信变压器 (11)匹配变压器.在通讯网络或局域网中,变压器经常被用在电路的物理层部份或模拟部份,主要起隔离、滤波、阻抗匹配以及倒相作用,优化电路以求信号在传输过程中有最小的损失从而达到最佳的信号传输
3、效果。近年来由于网络通讯的飞速发展,网络变压器发展尤为迅速,市场需求量十分巨大,在ISDN、10/100/1000BASET以太网、ADSL/VDSL、T1/P1上都有大量的使用。二变压器的基本工作原理1器的基本原理图如(图二),当给变压器初级绕组加上电压Ui时,在该绕组中产生电流i1,电流i1建立了沿铁芯磁路而闭合的磁通0,该磁通同时也穿过次级绕组,并在次级绕组中产生感应电动势E2。 按电磁感应定律可得:对于理想变压器来说:120当 Ui为直流电压时,磁通量0的变化率趋近于0,即所以E20,故变压器对直流信号相当于开路,有良好的隔离效果。当Ui为交流电压时,感生电动势随着磁通量变化而变化,磁
4、通量变化得越快,感生电动势也就越大,磁通量变化得越慢,感生电动势也就小,感生电动势的有效值为:E1=4K N1BmSC10-4E2=4K N2BmSC10-4E1:初级自感电动势(V),对于理想变压器(不考虑线路、铁芯和漏磁的损耗)这个电动势与电压Ui的大小相等,方向相反,即E1-Ui;E2:次级互感电动势(V);K:电压的波形因数,对于正弦波,K1.11,对于方波,K1;:交流电压Ui的频率(HZ);N1:初级线圈的圈数;N2:次级线圈的圈数;Bm:磁感应强度的幅值(T);SC:铁芯有效横截面积(CM2)。由此可得: 即变压器初、次级两端的感生电动势之比等于初、次级圈数之比。对于理想变压器来
5、说,因为不考虑绕组的铜损和铁芯的铁损,且假设穿过初级绕组的磁通也完全穿过次级绕组,则根据能量守恒定律可知:变压器的初级绕组的输入功率等于次级绕组的输出功率,因此:P1P2;I1*E1I2*E2;则有: 即流过变压器初、次两级的电流之比等于初、次两级圈数的反比。 变压器初级阻抗为Z1,次级阻抗为Z2,则:I2E2=Z2Z1E1=I1 由此可得:N12=E1*I2=Z2Z1N22E2*I1 即变压器初、次两级阻抗之比,等于初、次两级圈数的平方比。图二中S1为初级线圈间的漏磁通,S2为次级线圈间的漏磁通,这两磁通量将产生漏电感。2变压器的励磁电流 1图三 2 L1L2i1 12 i2 u1 U2 设
6、在图三的初级线圈中加上一个交变电流i1,则这个电流在变压器的初、次级两端产生的感应电动势大小为:dtd1 u1(t)= L1dtdi1+ Mdtdi2 dtd2 u2(t)= L2dtdi2+ Mdtdi1其中: L1、L2:是初、次级线圈的自感系数 M:是互感系数对于理想变压器来说,初、次两级间的感生电动势是相等的,即u1(t)=u2(t)。 对网络通讯用的磁性器件,广义的理解是指网络通讯设备所需要使用的磁性器件,第一:包括POWER电源部(包括电源上所使用的功率变压器,输入输出电感,电流互感器,差共模滤波器等);第二;数据传输部份,相对前者,对功率密度的要求被宽带可靠传输数据信号要求所取代
7、.因此,相应对磁性器件的要求就有很大差别,二者的设计理论也是截然不同的.第三:随着电磁噪声的是益恶化和相关标准的强制执行,怎样以最佳的性价比和最小的空间占用解决电磁兼容问题,也越来越成考虑的重点之一,除了要求对系统干扰源进行诊断和定位外,从器件级的角度进行合理的器件设计也成为解决电磁兼容重要一环.因此,对磁性材料的合理选择成为器件设计的关键,下面,分别就以上三方面进行具体的讨论. 第一部份:POWER部份 随着通讯的发展,对电源的要求向更高功率密度,更大电压和更大电流方向发展,限制开关电源小型化,高频化的主要因素是电感变压器等磁性器件和有源开关管及二极管.从磁性元件角度考虑,由于工作频提高,电
8、源主变压器的设计对磁芯的选择提出了新的要求,对DC-DC模块来讲,开关频率己经达到400KHZ以上,在这一频率使用低导磁系数的材质己经达不到要求,同时对于输出电感,由于直流偏置特性要求,同粉芯材料相比,铁氧体的饱和磁感就强度(Bs)较低,直流偏听偏置(DC-BIAS)能力较差,当不能满足降低器件高度和体积的要求时 必须使用MPP(钼铍合金),铁硅铝,HIGH FLUX(高磁通磁芯)以及铁粉芯,同时,采用扁平螺旋绕线技术,达到减小绕组空间和增加可靠性.目前,美国普思,美国线艺,日本松下等国外知名变压器公司都在大电流输出平面电感方面有批量产品供应,在这些产品中,有采取复合磁芯,底座采取绝缘的NiZ
9、n,顶部采取铁硅铝平螺旋电感,如图一所示: 上面的最大额定电流可达30A,也有采取塑胶骨架,铁硅铝作磁芯的电感,.引线接头采取压接工艺,即满足了大电流的要求接触电阻和高可靠性的要求,以满足环保无铅的要求,还有采用作绝缘处理的粉芯材料一次冲压成型的一体化电感,由于无需骨架,线圈先单独绕制,再一次成型,不但高度更低,而且,噪声更低,可靠性更高,瞬态电流抗饱和性更强.其电最大额定电流可达60A,瞬太磁芯饱和和电流可达120A,同时涡流损耗很低,工作频率可以达到5MHZ,如下在变压器方面,平面变压器应该是通讯业变压器发展的趋势,目前,象日本TDK,飞磁,开发出了各种平面磁芯,以满足市场需求,比如,针对
10、板上型磁芯board mounted power supply(即变压器绕组直接设计在电源主板的多层PCB上,磁芯直接粘在主板上即可),国际电工委员会(IEC)出台的标准61860中,磁芯中柱类似椭圆,即减小了主板的开口,因此Rdc/L更小,使得变压器的铜损更低,响应面积,又减小了每匝线圈的长度,布线的允许宽度也增加更好.如下图所示:目前,互联网发展日新月异,我国互联网同欧美相比,相对比较晚,对我们来说未必不是好处,这样可以减速少很多弯路,涉及到电磁电感变压器的网络结构中包括传输网,交换网和接入网,从现在来看,接入网发展速度非常快,从传输介质来看,可以分为光纤技术,混合光纤同轴电缆接入技术,铜
11、线接入技术,目前,由于铜线接入技术能够利用传统的公共交换电话网的电话线,具有较好的性价比,比较适中国国情而己发展速度快,目前ADSL接入网的发展速度非常快,可以预见的是,VDSL的大规模发展己经不远了,而其中涉及的宽带变压器是最关键的器件,要求较高的传输速带宽,而对功率要求却不高,以下就宽带变压器的设计中磁芯的就用作一简要论述.基本理论:宽带变压器属于绕线式设计的磁性器件,在宽带频率范例办进行能量传输,绝大多宽带变压器广泛应用在各种低功率的电信通讯设备方面上图表示了宽带变压器的插损-频率曲线的典型特性,变压器的带为f2与f1之间的频率间隔,或者是f2与f1之间的频率间隔,从图上可以看出,具有陡
12、峭的截止频率特性曲线的带(f2- f1)比平坦陡峭频率特性(f2- f1)更窄,从图上也可以看出,三个频段分别被表示出来,宽带变压器的截止频率根据具体的变压器的设计要求来决定,因此,下限频率f1可以高于10MHZ,也可以低于300HZ,带宽也可能从几百赫兹到几百兆赫,宽带变压器设计的一个典型指标是中频带内的最大插损和截止频率处的最大允许插损,下图是一个变压器的集总参数等效原理图,将电路看成一理想变压器,包含等效寄生电阻和感抗,副边元件己经转换到原边,包括寄生和负载阻抗为了简化电路,将原副边结合,简化的等效电电路如上图,参数的物理意义列在等效电路下面,在低频区,传输特性变坏是由于低频区较低的激励
13、阻抗阻所致,激励阻抗随着频率的降低而下降,导致信号衰减加,激励阻抗中,原边励磁电感Xlp占主要部份,忽略了产生漏电流的等效并联损耗电阻,因此,插入损耗以原边并联励磁电感如下:在大多数宽带变压器设计中,在中心通频带内影响传输性能的主要是线圈电阻,由于线圈电阻影响的插入损耗表达式下如下这里的RC=R1+R2在高频频段,传输特性主要受到线圈漏感和匝间分布电容的影响,此时,通常情况下线圈励磁电感和线圈电阻都必须考虑,取决于电阻的阻抗特性,在低阻抗电阻中,由于漏感导致的高频信号衰减表示如下:在高抗阻电路中,由于分布电容导致的高频信号衰减表示如下:回顾以上三个频段的插入损耗特性,可以得出以下结论:在变压器
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