磁性變壓器工作原理

用于下一代便攜產(chǎn)品的熒光燈和顯示屏外殼變得越來越薄，因此，產(chǎn)生了對薄型 CCFL(冷陰極熒光燈)供電電源的需求。得益于磁性變壓器和陶瓷壓電變壓器(PZT)的發(fā)展，我們可以制造出效率更高、體積更小的背景光轉(zhuǎn)換器。變壓器的選擇取決于成本、尺寸和效率等幾個因素。例如，在給定的功率水平下，與壓電變壓器相比，磁性變壓器可能更厚、更重和更低效，但是它也具有成本更低和負載范圍更大的優(yōu)勢。對于PZT變壓器來說，正弦運行是它本身所固有的特性。另外，它還具有高激發(fā)電壓(可用于各種非水銀燈)、不可燃和無電磁噪聲等優(yōu)點。圖1給出了一個用于3~4W筆記本電腦的變壓器例子。
磁性變壓器工作原理簡介
高頻磁性變壓器由一個公共鐵氧體磁芯和繞在其上的多個線圈組成。能量轉(zhuǎn)換發(fā)生在介于磁通量和磁場之間的磁芯中。該能量交換也是電流與電壓的積分函數(shù)：
能量=∫I Vdt=∫H dB
可用磁芯中磁通密度變化和場強來表達；亦可用線圈中的電流、電壓和時間變化來表達。
磁通密度(B)與伏特-秒成正比，與磁芯的橫截面積和線圈匝數(shù)成反比。根據(jù)法拉第定律可計算出：
B≈V(N Acore 頻率)
場強(H)與電流和匝數(shù)成正比，而與線圈長度成反比。根據(jù)安培定律，可以將其表達為：
H≈N I/Lpath
磁通密度和場強之間的關(guān)系由磁芯的磁導率決定：
=B/H
變壓器的電壓增益可以通過次級線圈和初級線圈之間的匝數(shù)比N2/N1來確定，而變壓器的電流增益也同N1/N2有關(guān)。
在設(shè)計用于CCFL電路的變壓器時，初級匝數(shù)由變壓器的初級和外部電容形成的諧振電路所需要的電感來決定。次級的匝數(shù)應保證可以向熒光燈提供足夠高的啟動電壓。次級的高匝數(shù)通常需要在磁芯有一個大的窗口面積。由于在初、次級間的高壓占空隔離要求，CCFL變壓器的漏電感通常比較高。因為這個變壓器被用于正弦波，所以其漏電感只減少有效匝數(shù)比，而不會產(chǎn)生開關(guān)尖峰。同磁性變壓器相關(guān)的其它問題還包括需要屏蔽的雜散磁場，以及在故障情況下次級電壓失控時產(chǎn)生的電弧電勢。
壓電變壓器工作原理
同磁性變壓器依賴于電磁能量轉(zhuǎn)換不同，壓電變壓器通過機械力交換電動勢。加在輸入電壓電極上的交流電壓引起厚度方向上的機械擴張和壓縮。在初級上的這個位移被轉(zhuǎn)換成縱向或長度方向上的力。
在多個駐波頻率(n)上發(fā)生的機械諧振頻率可表示為變壓器長度和材料伸縮速度(V)的函數(shù)：
f n=n /(2 長度)
電壓增益是PZT材料系數(shù)g( )、初級的層數(shù)、材料的厚度和整個長度的函數(shù)：
V(增益)=(長度 層數(shù)/厚度) g( )
在輸出一端的電極用來恢復次級放大的電動勢。為了預測系統(tǒng)中PZT的性能，有必要建立一個電路模型。圖2所示的電路模型通常用于描述單一諧振頻率附近的PZT行為。許多PZT制造商都基于在各種頻率和輸出負載下的測量結(jié)果提供該模型的元件值。
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初級電極的多層構(gòu)造和材料電介質(zhì)常數(shù)形成了一個大的初級輸入電容(Cinput)。由于初級電極和次級電極之間的位置關(guān)系，輸出電容則要小的多。PZT的機械諧振頻率( 0)同材料的彈性(Y)、密度( )和長度成比例關(guān)系：
0 ∝(1/長度) √ (Y/ )
在單一諧振頻率附近的機械壓電增益可以用RLC串聯(lián)電路建模，其等效電路模型如圖2所示；針對具有如下值的PZT，圖3描述了的其增益相對于輸出負載和頻率的特性關(guān)系曲線：
Cinput = 0.2 F, COUT = 30 pF, n = 30, 串聯(lián)RLC參數(shù)分別為2 、1 mH和6 Nf，如圖3所示，在輕負載和無負載條件下，陶瓷變壓器提供高Q值和高增益，并產(chǎn)生高激發(fā)電勢。一旦熒光燈被激發(fā)之后，變壓器則帶有負載，隨之引起變壓器增益下降和諧振頻率漂移。不同于磁性變壓器，由于PZT變壓器帶負載時有唯一的增益特性，不需要在變壓器次級和熒光燈之間加入鎮(zhèn)流元件。
使用電流反饋推挽拓撲運行磁性變壓器
如圖4所示，通常使用饋流式推挽拓撲結(jié)構(gòu)向基于磁性變壓器的CCFL電路供電。在保持熒光燈正弦工作的同時，這個拓撲結(jié)構(gòu)容許寬廣的輸入電壓范圍和調(diào)光范圍。這個轉(zhuǎn)換器包括一個諧振推挽級、一個源于PWM降壓電路的控制級和一個高壓次級。推挽級包含三極管Q2和Q3，它們負責驅(qū)動中心抽頭變壓器T1。通過變壓器上的一個輔助繞組驅(qū)動這兩個三極管在50%的工作周期產(chǎn)生180 相移。T1的主電感和一個低漏外部諧振電容(C4)構(gòu)成了一個諧振電路。這個諧振電路向變壓器的初級提供一個正弦電壓并設(shè)定該系統(tǒng)的工作頻率。
包含Q1、D1和L1的降壓級(buck stage)向主級諧振電路饋入一個直流電流。UCC3973使推挽級與降壓級的頻率(buck frequence)同步以防止發(fā)生拍頻現(xiàn)象。L1中的直流電流由Q1的工作周期進行控制。降壓級的工作周期由反饋網(wǎng)絡(luò)(在FB和COMP引入)來確定，反饋網(wǎng)絡(luò)用于調(diào)節(jié)熒光燈的電流(反饋信號在R4兩端測得)。
T1次級上的高壓用于啟動和運行熒光燈。由于啟動或激發(fā)電壓高于工作電壓，為使變壓器次級和熒光燈有不同的電壓，需要加入一個高壓電容(C5)。這個電容也作為處理熒光燈非線性調(diào)光特性的鎮(zhèn)流元件來使用。變壓器的次級可以使用高漏電感來設(shè)計，并允許取消鎮(zhèn)流電容。
采用饋壓式推挽拓撲運行PZT
圖5是一個用于在諧振推挽拓撲中控制壓電變壓器的電路。這個拓撲結(jié)構(gòu)采用兩個標準電感(L1和L2) 驅(qū)動UCC3977控制器和MOSFET N1和N2，使之在50%工作周期產(chǎn)生180 相移。這個推挽電路具有在直流輸入電壓和壓電變壓器主級之間提供電壓增益的優(yōu)點。諧振是通過這兩個電感和PZT的主級電容之間的LC關(guān)系來實現(xiàn)的。
不像前面討論過的磁性變壓器電路，基于PZT的電路使用頻率，而不是工作周期來控制熒光燈電流。UCC3977帶有一個在COMP引腳和OSC引腳之間形成的可編程電壓控制振蕩器(VCO)。這個VCO用于設(shè)定系統(tǒng)的運行頻率范圍，這個頻率范圍必須把PZT的激發(fā)頻率和正常工作頻率包括在內(nèi)。熒光燈電流在FB引腳測量，并通過PZT的增益對頻率的特性曲線進行控制(見圖3)。PZT的增益必須能夠在最小輸入電壓的情況下提供足夠高的熒光燈電壓，以保證控制回路總是工作在諧振的正確一邊。
推挽電路的工作波形如圖6所示。MOSFET N1和N2在50%工作周期被驅(qū)動產(chǎn)生相移(見圖6曲線2)。電感L1和L2同PZT主級電容發(fā)生諧振，在N1(曲線1)和S2(曲線4)的漏極形成半正弦波。在PZT初級兩端所得到的電壓接近于正弦。熒光燈電壓在這個應用中接近600伏。由于陶瓷變壓器具有高Q值，所以熒光燈電壓是正弦波。為實現(xiàn)零電壓切換，漏極電壓在下一個切換周期以前必須回零。這要求LC諧振頻率必須高于切換頻率。滿足這個條件的最大電感可以從下面公式得到：
L<1/(4 f f Cp)
當驅(qū)動600伏熒光燈電路時，一個具有推挽拓撲結(jié)構(gòu)的多層PZT(額定功率為3瓦)效率曲線。在低輸入電壓時，其轉(zhuǎn)換效率高于85%；在高輸入電壓時，轉(zhuǎn)換效率隨PZT增益下降而下降。
采用脈沖調(diào)光技術(shù)
對磁性和壓電變壓器來說，通過線性減小熒光燈電流的方法來調(diào)光將降低工作效率。在磁性變壓器電路中，由于在諧振電路中的循環(huán)電流所產(chǎn)生的損耗同流過熒光燈的電流無關(guān)并保持常數(shù)，所以在輕負載時轉(zhuǎn)換效率下降。在PZT電路中，由于在輕負載情況下系統(tǒng)運行在低于最優(yōu)增益的狀態(tài)，所以輕負載轉(zhuǎn)換效率也將下降。這兩個電路的輕負載效率都可以使用脈沖調(diào)光技術(shù)來提高。這個方法以高于肉眼所能感覺到的頻率(>100 Hz)通過調(diào)制工作周期的開/關(guān)控制平均熒光燈電流，使熒光燈以滿負載電流工作。
基于PZT的背景光電路的脈沖調(diào)光波型如圖7所示。基于磁變壓器的電路的脈沖調(diào)光波型與此類似。一個外部驅(qū)動信號(曲線2)用于控制脈沖串的工作周期和頻率(本例中，在50%工作周期時頻率為125Hz)。曲線1顯示的是其中一個MOSFET的柵極信號；而曲線3顯示的是反饋網(wǎng)絡(luò)(用于設(shè)置工作頻率)的COMP引腳的信號。曲線4為熒光燈電壓。這些畫面是由數(shù)字示波器獲得的，所以有混迭現(xiàn)象。熒光燈的激發(fā)電壓幾乎檢測不到，這是因為熒光燈是熱的，并且工作在從前的脈沖串周期。
結(jié)論
本文闡述了可作為便攜應用背景光源的冷陰極熒光燈。針對這些燈的高壓要求，本文探討了兩種類型變壓器(磁性和壓電)的工作原理。在特別應用中變壓器的選擇取決于效率、尺寸和成本等因素。對于這兩種變壓器形式，本文還給出了通過提供正弦工作提高光效率的諧振功率電路。熒光燈的亮度可以通過線性或脈沖調(diào)光技術(shù)進行控制。無論使用那一種變壓器形式，都可以達到80%以上的轉(zhuǎn)換效率，從而提高電池供電系統(tǒng)的運行時間。