高频变压器饱和电流测试装置的设计

杨道忠，罗中良，陈治明，林锋洲

（1.惠州天阳精密科技有限公司，惠州 516000； 2.惠州学院，惠州 516007）

引言

开关电源是近年来应用非常广泛的一种电源，其质量的好坏直接影响到电子设备的可靠性。磁性元件高频变压器是开关电源中的重要部件，在电子线路中，经常因为高频变压器设计的不合理导致高频变压器发生磁饱和从而损坏开关电源设备，所以测试高频变压器的饱和电流值是非常重要的。在不具备专业设备的条件下，测试高频变压器磁饱和电流是比较困难的。

目前，在高频变压器磁饱和电流的检测方面，还没有形成普遍统一的通用检测方法。现在技术上对磁饱和电流的检测主要是通过电阻、电解电容和电感构成充放电回路。外部直流电源先给电解电容充电，电压达到稳定后放电接通变压器初级回路，用数字示波器观察检测串联在初级绕组的电阻电压波形，计算出饱和电流。在对变压器可靠性评估过程中，该测试方法存在以下不足：无法直接测试变压器不同温度下的饱和电流；电解电容C的容量过大导致电源充电时间太长，延长测试周期；无法测试小感量元件，测试感量一般大于50uH且测试结果存在较大的误差。

高频变压器在开关电源各种拓扑结构中的稳定性、高效性设计占重要位置。本论文设计出一种高效、可靠的高频变压器饱和电流测试装置，该饱和电流测试方法与其他测试方法相比有测试简单实用，并能够准确地测试出饱和电流值、缩短了电路设计的开发周期 。

1 测试装置基本原理与设计

1.1 高频变压器磁饱和原理

“磁饱和”是饱和磁化强度的简称，是铁磁性物质的一个特性。在外磁场的作用下铁磁性物质将被磁化，开始时，随着外磁场强度的逐渐增加，物质的磁化强度也不断增大。当外磁场的强度（电感线圈电流）达到一定程度后，物质的磁化强度便不再增加而保持在一个稳定的数值上。这时，就称高频变压器达到了磁饱和状态，或称饱和磁化状态。这个稳定的磁化强度值就叫做高频变压器的饱和磁化强度，这个临界点电流称之为高频变压器的饱和电流。

1.2 测试装置的设计与测试步骤

1.2.1 饱和电流检测方法的设计

变压器饱和电流的测试主要是检测初级电感电流曲线出现拐点的电流值。如图1所示，单片机通过AD转换电路检测串联在初级绕组上的采样电阻两端的电压，通过程序算法将出现拐点处的电压值转换为电流值显示在饱和电流显示窗口，该显示值为高频变压器饱和电流值；温度采样电路通过感温探头检测高频变压器实际温度信息到单片机，单片机将实际温度数据显示在温度显示窗口。

高频变压器设计一般都是在室温中进行，而高频变压器工作的实际温度通常远大于室温温度（一般在90℃左右）。只要长时间将触发点闭合，通过直流电源对初级绕组两端加热至所需测试温度，即可测试出不同温度下高频变压器的饱和电流。

1.2.2 高频变压器饱和电流测试步骤

图1中，测试装置主要包括直流电源和单片机电路两大模块。首先设置直流电源输出电压值大小和最大输出电流值大小，电压值关系到电流曲线从零至出现拐点处的时间，考虑到A/D转换接口电路的转换速度，该电压不可取值过大，一般取值为12V。输出电流大小主要是关系到给初级绕组加热至所需温度的时间，由于大电流可能损坏绕线，所以该电流不可取值过大，一般取值为1A。

单片机电路外部接口主要有采样电阻接口和温度采样电路接口。采样电阻接口串联在初级绕组上，温度采样电路接口直接粘贴于高频变压器磁芯与线包缝隙间。两个不同接口对应着不同的程序流程，如图2和图3所示。

图2是单片机电路的温度测试程序流程图。当触发点闭合时，相当于直流给初级绕组加热，同时MCU电路对绕组进行温度采样，但温度显示窗口为所需预设温度时断开连接触发点，进入饱和电流测试阶段。

图3是单片机电路的饱和电流测试程序流程图。当触发点不断触发时，相当于检测当前温度下高频变压器的饱和电流。采样电阻检测采样信号后通过A/D转换为数字型号传送给MCU电路进行数据处理。MCU电路记录前十组数据并计算出该数据的斜率值存入数据存储器，下一组数据到来时判断是否在此斜率曲线上，如不在此斜率曲线上即判断为此处是电流波形的拐点值，得到拐点值数据后MCU电路将此数据进行处理后通过显示电路显示出来。用户只需读取饱和电流显示窗口和温度显示窗口的值，即可方便地得到不同温度下高频变压器的饱和电流值。

图1 饱和电流测试装置结构图

图2 绕组温度测试程序流程图

2 饱和电流曲线测试实例

图3 饱和电流测试程序流程图

图4 室温测试电流波形

图5 50℃测试电流波形

图6 90℃测试电流波形

图7 110℃测试电流波形

由于变压器饱和电流的测试主要是检测初级电感电流曲线出现拐点的电流值。以下实例主要通过借助数字示波器的电流探头，实际测量不同温度下高频变压器初级绕组的电流波形来验证以上测试装置单片机电路捕捉拐点电流的可行性。如图4为室温测试时的高频变压器电流波形，对应的饱和电流为1.48A；图5为50℃测试时的高频变压器电流波形，对应的饱和电流为1.36A；图6为90℃测试时的高频变压器电流波形，对应的饱和电流为1.10A；图7为110℃测试时的高频变压器电流波形，对应的饱和电流为1.10A。从图4-7可以看出不同温度下高频变压器饱和电流值是不同的，在温度升高的同时，饱和电流呈下降的趋势，这为具体产品设计时饱和电流应考虑其工作环境温度，以避免采用常温数值进行产品设计出现的缺陷。

3 结论

变压器饱和电流的测试主要是检测初级电感电流曲线出现拐点的电流值。本设计测试饱和电流装置，主要是A/D转换电路和温度采样电路检测信息传输到单片机上，单片机通过程序算法将饱和电流和实际温度值显示出来，能够高效、可靠的测试出不同温度下高频变压器饱和电流值。该装置能够在开关电源设计的过程中方便工程师对高频变压器的评估，准确地设计出合理的高频变压器参数，缩短开发周期，提高所开发产品的可靠性。

[1]罗恒廉,李智华.高频磁性元件的绕组设计技术[J]. 电工电能新技术, 2000,2:61-64 .

[2]罗中良,李曦雯. 基于MPS4021 的30W LED 驱动电源设计[J]．计算技术与自动化, 2013,32(3):30-33．

[3]Santayana Maniktala. 开关电源设计与优化[M].王志强译，北京：电子工业出版社, 2006.

[4]刘凤君. 现代高频开关电源技术及应用[M].北京:电子工业出版社,2008.

[5]王兆安,黄俊 .电力电子技术[M].北京:机械工业出版, 2002.

[6]王戎伟,罗中良. 基于NCP1014 的4W LED 驱动电源设计[J]．现代计算机，2013.3,58-61．

[7]Marty Brown .电源设计指南（第二版）[M].北京：机械工业出版社, 2004.

[8]罗中良.面向LED 驱动电源的EMI 滤波器设计与仿真[J]．现代计算机，2013.3,60-64．

[9]Abraham I.pressman .开关电源设计（第三版）[M].北京：电子工业出版社, 2010 .

[10]邱关源,罗先觉 .电路 第五版[M].北京：高等教育出版社, 2006.

[11]周建国,罗中良. 基于MP4021GS-A 的60W LED 驱动电源设计[J]．现代计算机，2013.6,55-58．