磁性变压器工作原理

用于下一代便携产品的荧光灯和显示屏外壳变得越来越薄，因此，产生了对薄型 CCFL(冷阴极荧光灯)供电电源的需求。得益于磁性变压器和陶瓷压电变压器(PZT)的发展，我们可以制造出效率更高、体积更小的背景光转换器。变压器的选择取决于成本、尺寸和效率等几个因素。例如，在给定的功率水平下，与压电变压器相比，磁性变压器可能更厚、更重和更低效，但是它也具有成本更低和负载范围更大的优势。对于PZT变压器来说，正弦运行是它本身所固有的特性。另外，它还具有高激发电压(可用于各种非水银灯)、不可燃和无电磁噪声等优点。图1给出了一个用于3~4W笔记本电脑的变压器例子。
磁性变压器工作原理简介
高频磁性变压器由一个公共铁氧体磁芯和绕在其上的多个线圈组成。能量转换发生在介于磁通量和磁场之间的磁芯中。该能量交换也是电流与电压的积分函数：
能量=∫I Vdt=∫H dB
可用磁芯中磁通密度变化和场强来表达；亦可用线圈中的电流、电压和时间变化来表达。
磁通密度(B)与伏特-秒成正比，与磁芯的横截面积和线圈匝数成反比。根据法拉第定律可计算出：
B≈V(N Acore 频率)
场强(H)与电流和匝数成正比，而与线圈长度成反比。根据安培定律，可以将其表达为：
H≈N I/Lpath
磁通密度和场强之间的关系由磁芯的磁导率决定：
=B/H
变压器的电压增益可以通过次级线圈和初级线圈之间的匝数比N2/N1来确定，而变压器的电流增益也同N1/N2有关。
在设计用于CCFL电路的变压器时，初级匝数由变压器的初级和外部电容形成的谐振电路所需要的电感来决定。次级的匝数应保证可以向荧光灯提供足够高的启动电压。次级的高匝数通常需要在磁芯有一个大的窗口面积。由于在初、次级间的高压占空隔离要求，CCFL变压器的漏电感通常比较高。因为这个变压器被用于正弦波，所以其漏电感只减少有效匝数比，而不会产生开关尖峰。同磁性变压器相关的其它问题还包括需要屏蔽的杂散磁场，以及在故障情况下次级电压失控时产生的电弧电势。
压电变压器工作原理
同磁性变压器依赖于电磁能量转换不同，压电变压器通过机械力交换电动势。加在输入电压电极上的交流电压引起厚度方向上的机械扩张和压缩。在初级上的这个位移被转换成纵向或长度方向上的力。
在多个驻波频率(n)上发生的机械谐振频率可表示为变压器长度和材料伸缩速度(V)的函数：
f n=n /(2 长度)
电压增益是PZT材料系数g( )、初级的层数、材料的厚度和整个长度的函数：
V(增益)=(长度 层数/厚度) g( )
在输出一端的电极用来恢复次级放大的电动势。为了预测系统中PZT的性能，有必要建立一个电路模型。图2所示的电路模型通常用于描述单一谐振频率附近的PZT行为。许多PZT制造商都基于在各种频率和输出负载下的测量结果提供该模型的元件值。
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初级电极的多层构造和材料电介质常数形成了一个大的初级输入电容(Cinput)。由于初级电极和次级电极之间的位置关系，输出电容则要小的多。PZT的机械谐振频率( 0)同材料的弹性(Y)、密度( )和长度成比例关系：
0 ∝(1/长度) √ (Y/ )
在单一谐振频率附近的机械压电增益可以用RLC串联电路建模，其等效电路模型如图2所示；针对具有如下值的PZT，图3描述了的其增益相对于输出负载和频率的特性关系曲线：
Cinput = 0.2 F, COUT = 30 pF, n = 30, 串联RLC参数分别为2 、1 mH和6 Nf，如图3所示，在轻负载和无负载条件下，陶瓷变压器提供高Q值和高增益，并产生高激发电势。一旦荧光灯被激发之后，变压器则带有负载，随之引起变压器增益下降和谐振频率漂移。不同于磁性变压器，由于PZT变压器带负载时有唯一的增益特性，不需要在变压器次级和荧光灯之间加入镇流元件。
使用电流反馈推挽拓扑运行磁性变压器
如图4所示，通常使用馈流式推挽拓扑结构向基于磁性变压器的CCFL电路供电。在保持荧光灯正弦工作的同时，这个拓扑结构容许宽广的输入电压范围和调光范围。这个转换器包括一个谐振推挽级、一个源于PWM降压电路的控制级和一个高压次级。推挽级包含三极管Q2和Q3，它们负责驱动中心抽头变压器T1。通过变压器上的一个辅助绕组驱动这两个三极管在50%的工作周期产生180 相移。T1的主电感和一个低漏外部谐振电容(C4)构成了一个谐振电路。这个谐振电路向变压器的初级提供一个正弦电压并设定该系统的工作频率。
包含Q1、D1和L1的降压级(buck stage)向主级谐振电路馈入一个直流电流。UCC3973使推挽级与降压级的频率(buck frequence)同步以防止发生拍频现象。L1中的直流电流由Q1的工作周期进行控制。降压级的工作周期由反馈网络(在FB和COMP引入)来确定，反馈网络用于调节荧光灯的电流(反馈信号在R4两端测得)。
T1次级上的高压用于启动和运行荧光灯。由于启动或激发电压高于工作电压，为使变压器次级和荧光灯有不同的电压，需要加入一个高压电容(C5)。这个电容也作为处理荧光灯非线性调光特性的镇流元件来使用。变压器的次级可以使用高漏电感来设计，并允许取消镇流电容。
采用馈压式推挽拓扑运行PZT
图5是一个用于在谐振推挽拓扑中控制压电变压器的电路。这个拓扑结构采用两个标准电感(L1和L2) 驱动UCC3977控制器和MOSFET N1和N2，使之在50%工作周期产生180 相移。这个推挽电路具有在直流输入电压和压电变压器主级之间提供电压增益的优点。谐振是通过这两个电感和PZT的主级电容之间的LC关系来实现的。
不像前面讨论过的磁性变压器电路，基于PZT的电路使用频率，而不是工作周期来控制荧光灯电流。UCC3977带有一个在COMP引脚和OSC引脚之间形成的可编程电压控制振荡器(VCO)。这个VCO用于设定系统的运行频率范围，这个频率范围必须把PZT的激发频率和正常工作频率包括在内。荧光灯电流在FB引脚测量，并通过PZT的增益对频率的特性曲线进行控制(见图3)。PZT的增益必须能够在最小输入电压的情况下提供足够高的荧光灯电压，以保证控制回路总是工作在谐振的正确一边。
推挽电路的工作波形如图6所示。MOSFET N1和N2在50%工作周期被驱动产生相移(见图6曲线2)。电感L1和L2同PZT主级电容发生谐振，在N1(曲线1)和S2(曲线4)的漏极形成半正弦波。在PZT初级两端所得到的电压接近于正弦。荧光灯电压在这个应用中接近600伏。由于陶瓷变压器具有高Q值，所以荧光灯电压是正弦波。为实现零电压切换，漏极电压在下一个切换周期以前必须回零。这要求LC谐振频率必须高于切换频率。满足这个条件的最大电感可以从下面公式得到：
L<1/(4 f f Cp)
当驱动600伏荧光灯电路时，一个具有推挽拓扑结构的多层PZT(额定功率为3瓦)效率曲线。在低输入电压时，其转换效率高于85%；在高输入电压时，转换效率随PZT增益下降而下降。
采用脉冲调光技术
对磁性和压电变压器来说，通过线性减小荧光灯电流的方法来调光将降低工作效率。在磁性变压器电路中，由于在谐振电路中的循环电流所产生的损耗同流过荧光灯的电流无关并保持常数，所以在轻负载时转换效率下降。在PZT电路中，由于在轻负载情况下系统运行在低于最优增益的状态，所以轻负载转换效率也将下降。这两个电路的轻负载效率都可以使用脉冲调光技术来提高。这个方法以高于肉眼所能感觉到的频率(>100 Hz)通过调制工作周期的开/关控制平均荧光灯电流，使荧光灯以满负载电流工作。
基于PZT的背景光电路的脉冲调光波型如图7所示。基于磁变压器的电路的脉冲调光波型与此类似。一个外部驱动信号(曲线2)用于控制脉冲串的工作周期和频率(本例中，在50%工作周期时频率为125Hz)。曲线1显示的是其中一个MOSFET的栅极信号；而曲线3显示的是反馈网络(用于设置工作频率)的COMP引脚的信号。曲线4为荧光灯电压。这些画面是由数字示波器获得的，所以有混迭现象。荧光灯的激发电压几乎检测不到，这是因为荧光灯是热的，并且工作在从前的脉冲串周期。
结论
本文阐述了可作为便携应用背景光源的冷阴极荧光灯。针对这些灯的高压要求，本文探讨了两种类型变压器(磁性和压电)的工作原理。在特别应用中变压器的选择取决于效率、尺寸和成本等因素。对于这两种变压器形式，本文还给出了通过提供正弦工作提高光效率的谐振功率电路。荧光灯的亮度可以通过线性或脉冲调光技术进行控制。无论使用那一种变压器形式，都可以达到80%以上的转换效率，从而提高电池供电系统的运行时间。