开关电源变压器的设计
开关电源变压器的安全设计
Switching power supply transformer design
许 陵
Xu Ling
（漳州师范学院 教育技术系，福建 漳州 363000）
摘要：本设计基于国际电工委员会电工产品安全认证组织（IECEE ），及中国国内标准SJ3270-90《隔离变压器和安
全隔离变压器》，设计是以高频开关电源的变压器的安全规范为基础，研究变压器制作过程的具体制作方法和根据安规
标准对各项变压器材料进行选择。以达到合理利用材料、正确处理变压器的工艺问题，降低生产成本的目的。
关键词：高频变压器；开关电源；磁性材料；绕制方法
中图分类号：TM433 文献标识码：B
1 引言
高频开关电源的设计主要有两部分，一是电路部分的设计，二是磁路部分的设计。相对电路部分的设计而言，磁路部分的设计要复杂得多。磁路部分的设计，不但要求设计者拥有全面的理论知识，而且要有丰富的实践经验。在磁路部分设计完毕后，还必须放到实际电路中验证其性能。由此可见，在高频开关电源的设计中，真正难以把握的是磁路部分的设计。高频开关电源的磁性元件主要包括变压器、电感器。本文根据变压器的安全规范，合理选择材料，介绍变压器的具体制作方法，从而设计出来的变压器符合《隔离变压器和安全隔离变压器》的标准。
2 引用标准
①国际电工委员会电工产品安全认证组织（IECEE ）：1985年由国际电工委员会（IEC ）建立，该组织
下设有三个委员会和一个秘书处：管理委员会、认证机构委员会、检测试验委员会。目前对14类产品进行安全认证，其中有电线电缆、家电用品、电子医疗设备等，而第12类就是安全变压器。
②国内标准SJ3270-90《隔离变压器和安全隔离变压器》。
3 变压器的安全规范
3.1 标准规范
磁性元件用于交换式电源供应器的结构中，必须遵守一定国家或是国际上的安全标准. 我国的电子变压器可按国内标准SJ3270-90《隔离变压器的安全要求》申请认证；而出口到欧美等国的变压器，则分别按各相关国的标准进行对口认证。例如：
U.L(Underwriter Laboratories)为美国标准。
C.S.A(Candanian Standards Association)为加拿大的标准。
V.D.E(Verband Deutsher Elektronotechniker) 为欧盟所使用的德国标准，目前V.D.E 已成为较受欢迎的标准，其安全标准考虑较为严格。其标准重点为保护操作人员的安全，对线圈绕线方法，输入与输出的隔离有较严格的要求，需耐高压3750V AC。
3.2 变压器的绝缘电阻安全规范
在变压器结构中，绕组与磁芯与铁架之间，在一分钟提供500V DC的电压情况下，至少要有100M Ω以
上的阻抗。
3.3 变压器的湿度阻抗安全规范
在高湿度91～95%的环境下，温度在20～30℃之间，连续在环境测试机48小时后，变压器一次侧与二
次侧须能够承受3750V AC，即变压器在此环境中须保持绝缘阻抗及介电强度。
3.4 变压器的安全规格
电子设备根据安全性能要求可分为三种类型。
收稿日期：2008-6-10.
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第一类(Class Ⅰ) ：此类设备用以下两种方式来防护电击①用基本绝缘。②假如基本绝缘被破坏，而
危险电压用导线连接到大地导体的保护方式。此类设备也可用双重绝缘(double insulation)或加强绝缘
(reinforced insulation)来设计，或者只用于安全性极低的电压线路上。
第二类(Class Ⅱ) ：此设备不单只靠基本绝缘来防护电击，且须增加安全措施，如用双重绝缘或加强
绝缘措施，而不提供接地保护者。
第三类(Class Ⅲ) ：此类设备靠SELV(Safety Extra Voltage)电路来防止电击。
变压器在具体设计中要根据电路来选择。
3.5 变压器的安全温度
变压器有温度等级之分，当温度高于周围温度25℃以上时，U.L/C.S.A规格会对变压器温度订出额定
值，用两种方法来做温度的量测，第一种称为热偶法（利用热电偶所产生的位差，由仪器记录）；第二种称
为电阻法（利用铜的绝对零电阻温度为基准来计算）。计算公式:(234.5+T1)/R1=(234.5+T2)/R2
其中，铜的零电阻温度：-234.5℃；测试前环境温度为：T 1；测试后环境温度为：T 2；测试前初级电阻
为：R 1；测试后初级电阻为：R 2。
绝缘等级分为以下七个等级，每一等级变压器的安全温度如表1所示。不同绝缘等级变压器的可接受
的温升度数如表2所示。
3.6 变压器安全规定爬电距离
为了符合U.L ，V.D.E 等严格的安全规定，在变压器引脚与绕组之间必须有一定的安全距离，见参考文
献。为了缩小爬电距离，可以在开线架模时，预留安全的距离或另外为沿面距离的塑胶片另外开模。
4 材料选择
按变压器的安全规范，在材料选择上要注意如下几点：
①线架(BOBBIN)：在变压器中起支撑线圈的作用，按材质分为：热塑性材料，热固性材料。材料的不
同，线架的工艺温度和压力不同。
②磁芯（CORE ）：铁粉芯磁芯用于高频变压器，它是一种带有尖晶石结晶状结构的陶磁体，其常用组合
如锰锌(Mn Zn)系列、镍锌 (Ni Zn)系列及镁锌(Mg Zn)系列. 此种材具有高导磁率和阻抗性的物性，其使用
频率范围由1kHz 到超过200kHz.
③套管（TUBE ）：套管种类繁多，用途广泛，我们常用的有TEFLON(铁氟龙) 、矽质套管、玻璃纤维矽
胶套管、 矽橡胶套管、矽胶。其中以TEFLON 为材料的套管是最耐强酸、强碱、最抗粘、最滑溜耐磨的套管。
④胶带（TAPE ）：以带基/基材分类，胶带有很多种，但抗焊接、抗穿刺、质薄、绝缘强度高、从形性
好、温差能力良好、有极佳的抗化学品、抗化剂和防潮能力始终是优质胶带的标准。
⑤漆包线（WIRE ）：在GB6109.1-90标准中，规定了各型号漆包线的通用技术要求，该标准是等效采用
国际电工委员会IEC317（1988）。漆包线的导体（铜线）按GB6108.1-85（等效IEC182-1）规定，其标准尺
寸采用GB321-80规定的R20、
R40系列。
⑥胶（EPOXY ）：在变压器中，胶用于接合. 固定或灌注。胶按其组成不同分为单剂型、变剂型和三剂型。
不同的型号的胶硬化条件和时间不同。
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⑦绝缘漆：在变压器制作中用到的绝缘漆是清漆。清漆，又称假漆，俗名凡立水。人造漆的一类，是
不含颜料的透明漆。主要成分是树脂和溶剂或树脂、油和溶剂。涂施于物体表面之后，溶剂挥发，树脂或树
脂和油结成光滑的薄膜。易干耐用，并能耐酸和油。用于变压器、线圈、漆包线之含浸或涂装，有防潮、散
热、绝缘、固定、保护线路板及美观等作用。
5 变压器具体制作方法
根据变压器的安全规范，具体制作方法应注意如下。
5.1 绕线
根据变压器要求不同，确认线架规格，把不用的脚在未绕线前先剪掉，以
防绕完线后再剪除时会刮伤漆包线或剪错脚，而且可以避免绕线时缠错脚位；
确认线架完整，不得有破损和裂缝；按要求包好醋酸布，紧靠线架两侧，再在
第1脚上先缠线(或先钩线) 后开始绕线。绕线的方式大致可分为：一层密绕、 均
图1 同组并绕图
等绕、多层密绕、定位绕线、并绕。如设计初级绕组16匝，采用型号为AWG23
的铜线，采用分层绕，分二层，每层2股，第一层10匝，第二层6匝，并绕如
图1所示；复位绕组16匝，采用型号为AWG23的铜线，绕法与初级一样；次级绕组2匝，采用厚度t=0.1mm，
2宽度b=14mm的铜箔，两层并绕，即截面积S=2.8mm。在最终确定导线规格时，均保留了一定的误差范围。
5.2 绕铜箔
铜箔绕法除焊点处必须压平外铜箔之起绕边应避免压在线架转角处，须自线架的中央处起绕，以防止
第二层铜箔与第一层间因挤压刺破胶布而形成短路；铜箔须包正包平，不可偏向一边，不可超越挡墙，如图
2所示。
图2 铜箔绕制图
5.3 包胶带
包胶带的方法有四种，如图3所示。刚开始绕线时，需加压线胶带的贴法如图3D 所示。变压器初级线
圈分两层，第一层到第二层时胶带贴法如图3A 所示；初级线圈绕完后，需加绝缘胶带贴法如图3B 所示，贴
完方可绕复位绕组，复位绕组中的两层间的绝缘胶带贴法与初级线圈一样。绕完所有的胶带后，最外层的绝
缘胶带贴法如图3C 所示。整个过程注意：胶带须拉紧包平，不可翻起刺破，不可露铜线，最外层胶带不宜
包得太紧，以免影响产品美观。
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A. 同组不同层的绝缘方法. B. 不同层的绝缘方法. C. 最外层的绝缘方法
.
5~10mm 以上
图3 胶带的不同贴法
D 压线胶带的贴法 5.4 压脚
将铜线理直理顺并缠在相应的脚上，用斜口钳将铜线缠紧并压至脚底紧靠档墙，剪除多余线头，缠线圈
数依线径根数而定，如图4所示。整个过程注意： 铜线须紧贴脚根，预计焊锡后高度不会超过墩点；不可
留线头，不可压伤脚，不可压断铜线，不能损坏模型，铜线过多的可绞线。
0.4Φ以下
2TS 以上 0.4~0.65Φ 1.5TS 以上 0.7Φ以上 0.8TS 以上 2根铜线 0.8TS 以上 3根铜线 0.8TS 以上 4根铜线以上 0.8TS 以上
图4 不同铜线的压脚标准
5.5 焊锡
将产品整齐摆放，用夹子夹起一排产品，脚沾助焊剂，以白手捧刮净锡面，立式模型镀锡时将脚垂直
插入锡槽(卧式模型将脚倾斜插入焊锡槽) ，镀锡深度以锡面齐铜脚底部为止。焊完确认：镀锡须均匀光滑，不可有冷焊、包焊、漏焊、连焊、氧焊或锡团，如图5所示。整个过程注意：塑胶模型不耐高温，易产生包
焊或脚移位，不可烧坏胶带，三层绝缘线须先脱皮后镀锡，焊点之间最小间隙须在0.5mm 以上。 4
正确
有焊团
图5 焊锡
5.6 组装磁芯
确认磁芯无破损或变形，组装磁芯时，不同材质的磁芯不可组装在同一产品上，磁芯与磁芯接触面都
需保持清洁，否则在含浸作业后 L 值会因而下降。包磁芯之胶布宽度规定，以实物外观为优先着眼，次以磁芯宽减胶布宽空隙约0.3mm ～0.7mm 为最佳。整个过程注意： 磁芯胶布起绕处与结束处，立式起绕于脚端中央，结束于中央，如图6所示。
把磁芯搓合3~4回，
确认中间无缝隙
包胶带完毕 包胶带(需包紧包平整)
图6 组装磁芯
5.7 含浸
将产品整齐摆放于铁盘內，调好凡立水浓度（0.915±0.04），将摆好产品的铁盘放于含浸槽內。含浸
10-15分钟，视产品无气泡溢出，放下凡立水，待产品稍干后取出放置滤干（滤干10分钟以上，视产品无
凡立水滴下）、阴干、冷却（可用风扇送风加速冷却）。整个过程注意：凡立水与稀薄剂调配比例为2∶1，
放入凡立水时，凡立水高度以完全淹没产品为准，但凡立水不可上铜脚 (特殊机种除外) 。
5.8 电气测试
电感测试：测试主线圈的电感量，半成品测试时，须将电感值域范围适当缩小。
圈数测试：测试产品的圈数，相位，电感值。
安全测试：测试变压器是否符合安全规范，其中主要测试变压器的绝缘电阻。
6 结束语
为了确保开关电源变压器使用中的可靠性和安全性，国内外在对选择材料的绝缘性、阻燃性、制作方法
等方面都有严格规定的安全标准。所以设计工程师必须按照安全认证标准来设计开关电源变压器。
参考文献：
[1]中华人民共和国国家标准[M].北京：中国标准出版社，2002:40.
[2]张占松，汪仁煌，谢丽萍. 开关电源手册 [M].第2版. 北京：人民邮电出版社，2006:72-73.
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作者简介：许陵（1958—），男，福建闽清人，工程师，学士. 363000:福建漳州县前街漳州师范学院教育系
电话：0596-2591231 [1**********] 邮箱：[email protected]
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