脉冲变压器

脈衝變壓器（Pulse Transformer） 講義 Date ： 2001 年 6 月 12 日 Page 1 Š 動作原理與計算 Š 結構說明 Š 脈衝變壓器的用途 Š 一般測試項目 Š 實際應用範例 1. 動作原理與計算： 脈衝變壓器的動作與傳統的變壓器相同，只是因為它的 E-T 常數 (註 1) 很小，只能承受很小的脈衝寬度，所 以稱它為：脈衝變壓器，現在我用帛漢生產的 DC/DC 上用到的脈衝變壓器，來解釋其電氣原理： 註 1.：E-T 常數 是評量變壓器的係數（單位是：V – Second ），定義該變壓器輸入端，可以承受多大的：電壓與工作 時間寬的乘積，如果輸入端的訊號，其電壓與工作時間寬的乘積超過該數量的話，該變壓器將無法正常工作， 其輸出訊號會『 失真 』。 例如：該變壓器規格標示 E-T 常數 = 20μ（V-Second ）， 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示：如果我們輸入電壓為 10V 方波時，訊號 Hi 的 寬度最好小於 2 μSecond ，否則訊號經過該變壓器之後，方波將會變形失真。 E-T = 係數 * 圈數 * 鐵心截面積 * 磁通密度 相同鐵心，圈數繞越多，E-T 常數越大，該道理可以從日常生活中得知，例如：早期從日本買回來的電 視機，其變壓器是用 100V 設計的，回到台灣後，電壓為 110V，除了變壓器的輸出電壓會升高外，變壓 器的 E-T 常數不符，將會造成變壓器發燙。 (a). 線路圖 電路中，T1 的功能就是脈衝變壓器，當 Q1 或 Q2 導通時，輸入直流電壓跨在 N1 或 N2，由於 Q1 與 Q2 會 交替導通，對 T1 而言，就像交流電跨在 N1 與 N2，鐵心的磁滯曲線會從第一象限，轉到第三象限，（B-H 曲 線）如下圖所示： 脈衝變壓器（Pulse Transformer） 講義 Date ： 2001 年 6 月 12 日 Page 2 (b). 鐵心的 B-H 曲線 此處的面積大小與損失成正比 (c). 施加於變壓器 N1、N2 電感上的電壓與磁通密度 電壓值＊時間 的面積與磁通密度成正比 磁通密度與電壓的積分成正比 (a). 令磁通為Φ，加在繞組 N1 圈上的電壓 V，根據法拉第定律，可以下式表示： dt dNV ψ*= ……………………………………………...（1-1） (b). 將上式兩邊以半週期積分運算（所謂積分就是算這半週期 T0 ~ T1 之 電壓*時間 的面積，就是剛才說的 E-T 常數），令 Φ＝B * Ae （磁通量＝磁通密度 * 截面積），則其公式如下： [ ]BAedtV N T 　　　　　 *1 2 0 =∫ ( +B => -B ) .………………..（1-2） 積分的時間 t 係介於 0 ～ T／2 （T0 ～ T1） 半個週期之內，此期間內之磁通密度變化，介於 ─B ～ ＋B 的 2B 範圍內，由式子（1-2）可以求得 Q1 導通時 Q2 導通時 T0 T1 脈衝變壓器（Pulse Transformer） 講義 Date ： 2001 年 6 月 12 日 Page 3 BAe N TV *2* *2 * 　　　= …………………….………………..（1-3） 　 T BAeNV ***4= …………….……………………..…..（1-4） ∵ T ＝ 2 * TON ( Duty 50 % ) 及 T f 1= ，代入（1-4）後 　 Ton BAeNV ***2= ……………...……………………..…..（1-5） 　fBAeNV ****4= …………..……………………..…..（1-6） 從（1-5）式 取出 N 後得到 　 BAe TonVN **2 *= ………………….…………..….………..…..（1-7） 上式若磁通密度的單位為 高斯（Gauss），Ae 的單位為 cm2，則（1-7）式又可寫作： V = 4 * N * Ae * B * f * 10 - 8 …………...…………………..（1-8） 從（1-8）式可以知道：現在的 CPU 由 5V 轉成 3.3V（V 減小），振盪頻率升高（f 增加），所以 Ae 可 以變的比較小。 上圖所用的架構是有中間抽頭，而且是直流輸入，磁通正負極來回跑，如果是計算沒有中間抽頭的變壓 器時，因為磁通只有單邊飽和，計算式將會變成： V = 2 * N * Ae * B * f * 10 - 8 ..…….………..…….…………..（1-9） 如果輸入的波形是 Sin 波、三角波 ….. ，計算式的係數將會有所差異。 2. 結構說明： 2.1. 鐵心選擇： Pulse Transformer 的鐵心是使用 Ferrite 材質，μ值大約 4000 以上，飽和磁通密度（BS）4100 高斯（Gauss） 左右，為了得到良好的訊號耦合效果及減少體積，鐵心的幾何形狀大都選用環形（TOROID），隨著傳送頻 率的升高，鐵心的截面積（Ae）逐漸減小，從早期的 T 6 * 3 * 1.5（外徑*內徑*高）變成 T 4 * 2 * 1 更減小 到目前的 T 2.5 * 1.2 * 0.8 ，可以想見繞線的困難度是越來越高。 2.2. 繞線方式： 依電氣規格要求，通常用到的方式如下： 脈衝變壓器（Pulse Transformer） 講義 Date ： 2001 年 6 月 12 日 Page 4 (a). 初級與次級並繞，呈 360°平均重疊繞 (b). 初級與次級分別於鐵心兩邊，各繞 45 ~160° (c). 初級與次級先絞線後，再平均繞到鐵心上 初級與次級並繞 初級與次級分別於鐵心兩邊 3. 脈衝變壓器的用途： 3.1. 不同『地』的訊號傳遞： 電腦連線時，因為每台電腦的『地』電位不同，甲電腦的 0、1 訊號要傳遞給乙電腦時時，甲電腦的數 位訊號必須先利用 Pulse Transformer 調變成交流訊號（視電路架構而定），透過 『Pulse Transformer』隔離 後，將交流訊號送到網路電纜，再連接到乙電腦，乙電腦接到調變過的交流訊號時，也必須透過『Pulse Transformer』達到隔離的目的 3.2. 阻抗匹配： 傳遞訊號的同軸電纜，會因為絕緣體材質、外部導體內徑、中心針的外徑…….等，而產生阻抗不同的 特性阻抗 (註 2) 情況，如果選用不適合的同軸電纜，或傳遞電路上的變壓器圈比錯誤，訊號將會因為同軸 電纜的阻抗不匹配，而產生電線尾端訊號減弱甚至失真的情形。 註 2.：特性阻抗（Characteristic Impedance）：一般日常生活接觸到的例子如：電視天線有 75Ω（傳統的接八木天線 的室外天線）、300Ω（第四台的同軸電纜線）兩種，就直流而言，他們都是銅線，所以直流阻抗（DCR）均很 小，趨近於零，但是對視頻訊號而言，卻有 75Ω與 300Ω的差異。 以示波器的 BNC 線 50Ω為例， 它之所以被稱為 50Ω，是因為該型同軸電纜在 77Ω時，具有最低的訊號衰 減，而在 30Ω時，具有最大的功率輸出，如下圖所示： 脈衝變壓器（Pulse Transformer） 講義 Date ： 2001 年 6 月 12 日 Page 5 而 50Ω為 77Ω與 30Ω之間的折衷值。 當不同的阻抗要連接在一起時，利用變壓器的圈數比是最簡單方式，其原理如下： V1：輸入交流訊 R1：交流訊號的輸出阻抗 R2：傳輸線路的交流阻抗 N1、N2：脈衝變壓器的初次 級圈數 L1、L2：初次級的電感值 變壓器的工作原理就是由 N1、N2 間的互感產生，計算步驟如下： 1. 當交流訊號加到 N1 時，在線圈中產生磁場變化，根據：法拉第定律 　ψ dt dNV *= ，變壓器初級的自 感電動勢為 ……. ψ dt dNV 1*11 = ……………. ( 3-1 ) 2. 因為 N2 與 N1 繞在同一個環形鐵心上，N2 也將產生互感電動勢 … ψ dt dNV 21*22 = …… ( 3-2 ) 3. ψ21 是由ψ1 衍生而來，兩者互成比例，在理想狀況下，ψ21＝ψ1，但通常ψ21＜ψ1，先定義耦 合常數 　ψ ψ 1 21=K （通常 K＜1），代入 ( 3-2 ) 式後，得到 …. ψ dt dNKV 1*2*2 = ……. ( 3-3 ) 4. 將 ( 3-3 ) 與 ( 3-1 ) 相除，並假設 K＝1，得到 …………………… 　 1 2 1 2 N N V V = ………...…. ( 3-4 ) 訊號衰減曲線 最大功率傳輸曲線 脈衝變壓器（Pulse Transformer） 講義 Date ： 2001 年 6 月 12 日 Page 6 5. 假設變壓器沒有功率損失，輸出功率 = 輸入功率 ie. 　2*21*1 IVIV = => 2 1 1 2 I I V V = 代入 ( 3-4 ) 式，得到 …………. 2 1 1 2 1 2 I I N N V V == 　 ……………. ( 3-5 ) 6. 現在先忽略線圈的內阻，初級電流 1 11 R VI = => 1 11 I VR = ，次級電流 　 2 22 R VI = => 2 22 I VR = ， 將 2 2 1 1 2* 2 1 2 2 1 1 2 1 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=== N N I I V V I V I V R R 　 ………………. ( 3-6 ) 式 (3-6) 的意義解釋如下：( 訊號源的內阻，如果與從變壓器輸入端看進去的阻抗相等時，會有 最大功率輸出 ) (a). 如果訊號源的內阻 R1 = 50Ω，變壓器次級接的傳輸線，其特性阻抗 = 50Ω，則 1 2 1 2 =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ 　 N N 亦 即 N1：N2 = 1：1 ……………………………………………. 輸出端阻抗相同 => 圈數相同 (b). 如 果 訊 號 源 的 內 阻 R1 = 50 Ω ， 變 壓 器 次 級 接 的 傳 輸 線 ， 其 特 性 阻 抗 = 100 Ω ， 則 5.0 100 50 2 1 2 ==⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ 　 N N 亦即 414.1:12:12:1 ==　NN …. 輸出端阻抗較大 => 次級圈數增加 (c). 如果訊號源的內阻 R1 = 50Ω，變壓器次級接的傳輸線，其特性阻抗 = 25Ω，則 2 25 50 2 1 2 ==⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ 　 N N 亦即 1:414.11:22:1 ==　NN …………….…………..… 輸出端阻抗較小 => 次級圈數降低 4. 一般測試項目： 4.1. Turn Ratio …………………………… 初級與次級圈數比 信 號 發 生 器 示 波 器 (1). 利 用 標 準 樣 品 與 待 測 品，將初級相串連，於 次級測量電壓值 (2). 正常品於次級測量到的 電壓應該為零 4.2. Primary Inductance ( O.C.L. ) ……….. 初級電感值 4.3. Leakage Inductance ……………….. 『漏感』：將次級短路後，初級所量測到的電感值 4.4. Insertion Loss ………………………. 『插入損失』：以原先初次級短路為基準（0 dB），加入變壓器後，訊 號在變壓器上能量衰減的量，數值越大，表示衰減越多 標準品 待測品 脈衝變壓器（Pulse Transformer） 講義 Date ： 2001 年 6 月 12 日 Page 7 (1). 測試前先歸零 4.5. Return Loss ………………………….. 『反射損失』：反射功率與輸入功率的比值，換個方向來看，沒有反 射的訊號，就是輸出的訊號，可以視同輸出信號與輸入信號大小的 比值，當不接變壓器時（開路），對輸入訊號源而言，其 反射功率最 大，『反射損失』最大，通常希望『反射損失』越小越好，測試方式 與 Insertion Loss 相同。 4.6. Cww ………………………………….. 初次級間的雜散電容，將會隨繞線方式而不同 4.7. Cross Talk ……………………………『串音』是信號從一通道進入另一相鄰通道的耦合能量，單位用（分 貝）表示，該數值就是量測其相互干擾的比率，越小越好。 HP8712 50:100 BALUN 100:50 BALUN R R (1). 儀器上讀出串音能量 4.8. Differential to Common Mode Rejection：『共模抑制比』是用來定義：差模與共模信號變化比例，在信號通 道中，共模信號用地線連接，共模抑制比是因特殊的頻率範圍而 被定義。 HP8712 50:100 BALUN 100:50 BALUN 待測品 通道 (2) 通道 (1) 脈衝變壓器（Pulse Transformer） 講義 Date ： 2001 年 6 月 12 日 Page 8 HP8712 50:100 BALUN 100:50 BALUN (1). 儀器上讀出共模抑制比 5. 實際應用範例： 5.1. 雙向資料的傳輸 …………. T1, T2 稱為 Hybrid transformer，作為阻抗匹配用 5.2. 單極 <=> 雙極 轉換線路 在同一部機器中，因為共地的關係，訊號都是『單極性』，但若要作為傳輸線訊號時，則最好轉成『雙 極性』，可以減少失真、串音（Cross-Talk） (a). 單極性脈波 (a). 雙極性脈波 待測品 脈衝變壓器（Pulse Transformer） 講義 Date ： 2001 年 6 月 12 日 Page 9 回頁首=>