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如何选择配合Analog Discovery使用的变压器?

wangmigooo 在 2014-9-1 建立的討論區

磁性元件即电感和变压器是各种电气电子应用例如电源、DC-DC转换器、滤波器和射频电路等使用的重要元件。 因此,它应当是电气工程学生的学习课程的重要组成部分。

 

为基于Analog Discovery硬件的学生实验室活动选择变压器时有几点需要考虑。 首先硬件有一些限制。 函数发生器和示波器输入支持的频率范围是从DC10 MHz左右。 该范围包括音频、大部分常见DC-DC转换器的工作频率以及部分RF频率;尽管现在的工程师谈到RF频率时,一般想到的是数百MHz甚至GHz,不过标准AM无线电的频率范围是从约500 KHz到接近2 MHz 因此,建议选择可用带宽与上述频率范围具有最大交集的变压器。

 

另外函数发生器可提供的最大空载电压摆幅为+/- 5V最大电流约为35 mA 内部+/-5V固定电源可供应相似的3540 mA电流。

 

其次应考虑变压器的封装配置及其与实验室电路的连接方式。 利用无焊试验板构建电路是一种方便且常用的技术,有利于学生利用相同的元件实现多种配置。 无焊试验板需要使用带引脚的元件,或所谓通孔元件。 表贴技术(SMT)元件需要安装到某种小型PCB上,以便与一组通孔引脚适配,从而插入试验板。

 

频率范围

变压器可用频率范围的下限一般由相关电路的阻抗水平和变压器绕组的电感设定。 假设以常见的50Ω标准为起点,根据制造商数据手册中公布的绕组电感,便可计算频率下限。 某些情况下,数据手册会指定可用频率范围。 一般的惯例是,所选元件在最低目标频率时的电抗(本例中是电感)至少应为其电阻(本例中是50Ω源电阻)的4倍。

 

潜在供应商

Coilcraft提供多种可行的候选产品系列。

 

Hexa-Path产品系列包含61:1隔离绕组可以串联或并联。通过串联或并联绕组Hexa-Path元件可以配置为电感、耦合电感共模扼流圈和变压器。 这种灵活性使其适用于不同的应用,主要是电源和DC-DC转换器。

 

遗憾的是Hexa-Path产品仅提供SMT配置。 要将其用于我们的无焊试验板,需要小型通孔转SMT适配器PC板。 本博客以附件形式提供了用以将HPH1-XXXX封装样式改造成通孔式以配合试验板使用的原理图和板CAD文件。 HPH2-XXXX封装上的表贴引脚为标准0.1”间距和0.6”宽,因此可以焊接到标准双倍宽度机器引脚DIP插座,如下面所示的24引脚版本。 多余的引脚当然可以剪除。

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24引脚机器引脚600密尔宽DIP封装

 

Hexa-Path产品具有很多品种。 为提供最大的频率范围交叠我们将从HPH1HPH2高电感组别中选择。 HPH1HPH2 Hexa-Path变压器的绕组配置如图1所示。 6个独立的绕组使我们能够灵活地构建大量不同的示范实验室电路。

 

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1. Hexa-Path HPH1-XXXX绕组配置

Model Number

型号

Winding Inductance

绕组电感

Impedance ratio

阻抗比

Measured1 3dB BW

实测1 3dB带宽

HPH1-1400L

202 uH

1 : 1

  1. 0.002 – 3.00 MHz

HPH1-0190L

  1. 27.4 uH

1 : 1

  1. 0.016 – 2.00 MHz

HPH2-1600L

160 uH

1 : 1

  1. 0.003 – 5.00 MHz

 

[1] 带宽测量条件为50Ω源电阻和次级负载电阻配置为1:1初级和次级各有3个串联绕组以提供最大电感。 参见图2 示波器通道1用于测量初级幅度,通道2用于测量次级幅度。

 

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2. 带宽测试电路

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曲线图1. Hexa-Path频率响应1 KHz5 MHz

曲线图1显示了测试的三个型号的初级和次级绕组上的幅度与频率响应的关系。 垂直轴的单位为dBV 响应的平坦部分位于-6 dB,此时变换的RL的阻性部分等于RS 从曲线图1的曲线可看出,三个例子中,电感较高的HPH1-1400L具有最低的低频滚降,HPH2-1600L相距不远。 HPH1-0190L的电感低得多(27uH202 uH),低频滚降高出大约8倍。 还应注意,在1 MHz以上的较高频率时,初级和次级幅度的响应开始分叉。 因此,我们可以得出结论,HPH1-1400LHPH2-1600L的最宽可用带宽为10 KHz1 MHz

 

CoilcraftMiniCircuits还提供6引脚DIP通孔封装的宽带RF变压器系列。MiniCircuits将其DIP封装称为X653 W38扁平表贴封装看起来与X65封装相似,但引脚未弯折(图4)。 这些封装非常适合标准无焊试验板。

 

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3. Mini Circuits X65封装样式

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4. W38扁平表贴封装样式

 

这些DIP变压器提供三种配置如图5所示。 MiniCircuits也有三绕组配置,如图6所示。 配置1是简单的二绕组变压器,配置2的次级绕组上有一个中心抽头,配置3的初级和次级绕组上均有中心抽头。

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5. 绕组配置

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6. 三绕组配置

同样我们希望缩小产品选择范围要求最小可用频率最低交叠部分最大并且适合Analog Discovery硬件。 在下面的表格中,Coilcraft产品的电感和频率范围值来自数据手册; MiniCircuits产品的电感值是从测量结果估算的,频率范围来自数据手册。

 

测试(推荐)的型号:

Coilcraft

Model Number

型号

Configuration

配置

Impedance ratio

阻抗比

Inductance

电感

Frequency range

频率范围

WB1010-PCL

1

1 : 1

780 uH

  1. 0.005 – 100 MHz

WB2010-PCL

2

1 : 1

780 uH

  1. 0.005 – 100 MHz

WB3010-PCL

3

1 : 1

780 uH

  1. 0.005 – 100 MHz

 

MiniCircuits

 

Model Number

型号

Configuration

配置

Impedance ratio

阻抗比

Inductance

电感

Frequency range

频率范围

T1-1T-X65

2

1 : 1

150 uH

  1. 0.080 - 200 MHz

T1-6T-X65

2

1 : 1

800 uH

  1. 0.015 - 300 MHz

T2.5-6-X65

1

  1. 2.5 : 1

500 uH

  1. 0.010 - 100 MHz

T4-6T-X65

2

4 : 1

500 uH

  1. 0.020 - 250 MHz

TT4-1-X65

3

4 : 1

130 uH

  1. 0.050 - 200 MHz

T5-1T-X65

2

5 : 1

70 uH

  1. 0.300 - 300 MHz

T-626-X65

4

1 : 1 :1

670 uH

  1. 0.010 - 10 MHz

 

为了验证制造商声称的频率范围我们利用Analog Discovery网络分析仪进行了测试。 实测带宽响应同样是利用配置为1:1变压器的50Ω源电阻和(次级)负载电阻(图2)完成。 对于其它变压器比,可根据需要调整RL,使得CH1测得的幅度对于每种阻抗比都相同。

 

下面的各种频率曲线图比较了上面两张表中的型号。 为了比较不同的阻抗比,绘制了初级绕组上的信号的幅度与频率的关系曲线(图2中的CH1)。 对于具有中心抽头绕组的型号,中心抽头浮空。 图中反映了这些型号升压和降压两个方向的情况。 注意,RL经过调整,使得平带幅度在所有情况下都相同。 曲线图2显示了较高电感型号的频率响应,包括Coilcraft的所有三个型号和MiniCircuitsT1-6T型号。 可以看出,三个Coilcraft型号与1:1 MiniCircuits型号的响应几乎相同。

 

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曲线图2. 较高电感1:1型号

 

我还测量了若干不同阻抗比的-6器件 如曲线图3所示配置为升压和降压变压器。 作为降压变压器,其响应全都与1:1变压器相似。 作为升压变压器,2.5:14:1型号的低频截止点明显较高。

 

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曲线图3. 升压和降压配置的较高电感型号

 

曲线图4显示的是较低电感-1型号变压器的响应曲线。 同样是配置为升压和降压变压器。 作为降压变压器,4:15:1型号的最小频率低于1:1变压器。 作为升压变压器,4:15:1型号的低频截止点较高,与-6型号相似。

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曲线图4. 较低电感-1型号

 

最后的曲线图5反映的是三绕组T-626变压器的三种不同配置的情况。 降压配置的最小频率较低,与常规型号相似。

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曲线图5. T-626三绕组配置为1:11:22:1

 

其它用途

除了作用变压器之外这些器件还可以用作电感。 通过串联或并联多个绕组,可以从单一器件获得不同的电感值。

 

用于计算多绕组变压器电气特性的公式

制造商数据手册列出了器件的某些电气特性。 对我们来说,最重要的也许是绕组电感。 对于功率转换应用,还会测定直流电阻(DCR)、最大有效电流
(Irms)和饱和电流Isat

 

绕组串联

如需较高电感可将多个绕组(WN)串联。 电感提高时,储能和Irms保持不变,但DCR提高,Isat降低。

电感 = Inductancetable × (WN)2

注意 Wn2系数仅当绕组之间的耦合系数恰好是1或非常接近此值时有效。 更一般的公式是LT = L1 + L2 + 2M

DCR = DCRtable × WN

Isat = (Isattable × 6) ÷ WN (connected in series)

Isat = (Isattable × 6) ÷ WN串联

Irms = Irmstable

Where Inductancetable, DCRtable, Isattable and Irmstable come from the manufacturer’s datasheet.

其中InductancetableDCRtableIsattableIrmstable来自制造商的数据手册。

 

绕组并联

若要提高电流额定值可将多个绕组(WN)并联。 DCR降低,电流额定值提高,电感保持不变。

电感 = Inductancetable

DCR = 1 ÷ [WN × (1 ÷ DCRtable)]

Isat = (Isattable × 6) ÷ WN ( connected in parallel )

Isat = (Isattable × 6) ÷ WN并联

Irms = Irmstable × WN

 

综上所述6绕组Hexa-Path变压器具有极大的灵活性和良好的低频截止点但在1 MHz以上的性能不是很好 而且仅提供表贴封装。 高电感型号的宽带RF变压器也能提供相似的低频截止点,其高频性能远远超过Discovery硬件的上限。 它们提供多种配置,包括MiniCircuits的三绕组配置T-626 重要的是,它们采用通孔DIP封装,无需适配器便可用于无焊试验板。

 

最后曲线图6比较了基于最小频率的三种最佳选择。 根据是否采用DIP封装,并适当考虑1 MHz以上的性能,我认为T1-6TWB1010(或WB2010WB3010)和T-626是比SMT HPH1-1400L更好的选择。

 

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曲线图6. 所有三个型号具有相似的可用带宽

 

一如既往欢迎读者提出意见和建议。

結果