| 电子变压器的技术现状 电子变压器是电子电路中的重要元件，起着绝缘、隔离、电压/电流转换、信号传输等重要作用，与电阻(R)、电容(C)、电感(L)一起构成电子电路的基础元件。 在电子电路的发展历史中，随着电子技术的不断发展，电子变压器也经历了不断改进升级换代的过程。在电子管时代，传统型硅钢片绕制的变压器一统天下，尽管现在看来不算秀气，在当时的技术条件下与玻壳的电子管在尺寸上也还匹配；在晶体管分立元件时代，硅钢片绕制的变压器就显得太大了，因而诞生出了采用铁氧体为磁芯的脉冲变压器和开关电源，电子变压器走上了高频之路，电子制品的轻、薄、短、小提上日程。 目前铁芯线绕式电子变压器的工作原理为电-磁-电能量转换机理，其铁芯平面正交于线圈平面，必然构成一立方体。尽管在材料、结构、工艺上做了大量的投入，还是很难在某一几何尺度上大幅度地压缩尺寸。例如，片式元件定义为厚度不大于6mm，那么铁芯变压器的窗口高度则不能大于3mm，或线包厚度不能大于2mm。就此尺寸，再扣除骨架材料的厚度则有效尺寸所剩无几，给变压器绕制带来无法逾越的困难。 进入二十世纪八十年代，随着大规模集成电路(IC)的开发，表面安装片型化电子元件(SMD)应运而生，片式电阻、片式电容、片式电感相继主导市场，整机装配密度(间距)由1英寸(25.4mm)发展为1/2英寸(12.7mm)，再发展为1/4英寸(6.5mm)，为便携式计算机、移动通讯产品创造了前所未有的发展机遇。采用脉冲变压器的开关电源只能做小难以做薄，目前厚度为8mm的脉冲变压器已是市场的佼佼者。传统的变压器已经不能适用小型化与片式安装的模式。因此，市场更急切地要求变压器进一步小型化、片型化甚至微型化。随着材料技术的发展，压电陶瓷变压器为这一要求提供了实际的可能。从此意义上讲，业内人士普遍认为压电陶瓷变压器将是电子变压器系统中一次重大的革命而非一般的改进。 压电陶瓷变压器的诞生 压电陶瓷变压器是一种实现电能--机械能--电能转换的升压型新型元件。其主要器件压电陶瓷片是用非金属材料经高温烧结和高压极化等一系列工艺而制成的新型功能陶瓷材料。此类变压器与传统电磁变压器相比，具有体积小、重量轻、结构简单、不用铜铁材料、不怕受潮、不会燃烧和击穿、不受电磁干扰等优点。压电陶瓷变压器具有转换效率高、无电磁辐射、体积小、不燃烧、安全和可靠的特点，常用在CCFL驱动上，如PDA、PMP、GPS、PEN-PANEL、GAME-BOX、PORTABLE DVD、CAR TV、NOTEBOOK、LCD MONITOR、LCD TV等。 目前研发和应用压电陶瓷变压器主要集中在日本、台湾和中国，国内的研究水平在技术层面上是领先的，在市场上有一定的主导性。 压电陶瓷变压器的优势 压电陶瓷变压器的优势主要有以下几个方面： ①转换的效率很高，与传统变压器的60%至85%的效率相比，压电陶瓷变压器很容易做到90%以上； ②能量密度很大，相应体积可以做到很小，很薄； ③没有电磁干扰，由于换能的过程是由机械振动完成，并不是电磁转换； ④环境适用性强，耐低温、耐高湿、耐酸耐碱、不会霉变，寿命长； ⑤标准正弦输出，有利灯管的寿命，且光效率高。 压电陶瓷变压器的应用原理 压电陶瓷变压器是利用压电陶瓷具有压电效用这一固有特性，采用电-机-电能量转换原理，压电陶瓷变压器的大部分结构中，电能和机械能是在一维坐标上进行转换的。因此从理论上讲，压电陶瓷变压器可以做得无限薄，即使加上结构强度、功率容量等设计因素，在实际元件中厚度也仅为1.5至5mm，这是铁芯线绕变压器基本达不到的尺寸。从此意义上讲，行业人士普遍认为压电陶瓷变压器将是第三代高频电子变压器，也是电子变压器革命性的进步。 压电效应分为正压电效应和负压电效应，正压电效应主要用于高压点火，如燃气灶、打火机等的点火器件。基本原理是由外力压缩一个弹簧，然后释放，推动一个重锤撞击压电陶瓷柱产生一个几千伏的高压放电火花，点燃可燃气体。 负压电效应主要用于压电蜂鸣器，基本原理是在压电陶瓷片上加上一个交变电信号，压电陶瓷片因此产生一个对应的形变即振动，如果振动频率在音频波段范围内，就会发出对应的声音。负压电效应这一特性还常见于SAWF、谐振器、选频器、延迟线、滤波器等。 片式压电陶瓷变压器的基本构成就是将压电蜂鸣器与压电点火器组装起来，驱动端(蜂鸣器端即初级)施加一个正弦的电信号，当信号的固定频率与压电陶瓷变压器谐振频率一致时，压电片就产生振动，用这种机械振动去推动发电端(点火器端即次级)，产生一个正弦电信号，通过改变压电陶瓷变压器的结构特征，可以组成输入低电压、输出高电压的升压型压电陶瓷变压器，也可以做成输入高电压、输出低电压的降压型压电陶瓷变压器。还可以通过调制与解调，配合适合的发射单元将信号发射出去。 压电陶瓷变压器在inverter(反流器)中的应用 (一)压电陶瓷变压器在inverter中的应用介绍 压电陶瓷变压器和传统变压器一样，可以应用在许多需要进行电压/电流变换的场合，而应用在LCD(液晶显示器)背光电源中的CCFL(冷阴极荧光灯管)驱动电源是典型应用之一，并且在很多方面有传统inverter不可比拟的优势，表现在： 输出特性与CCFL的工作特性完全吻合，具有自适应特性。 ①升压比可以做得很高，可以方便驱动大尺寸CCFL或“U”型CCFL； ②转换效率高，尤其是应用于在便携的LCD中，可以明显降低电池的成本； ③环境适应性好，有利于应用在工业及特殊工作环境当中。 (二)压电陶瓷变压器在inverter中的应用实例 1 inverter介绍 用于LCD中CCFL的驱动电源，从传统的ROYER、HALF BRIDGE、FULL BRIDGE、PUSH-PULL，采用的方式都是利用铜线绕制的升压变压器，来获得CCFL点灯及工作所需要的电压。应该来说，人们习惯了应用这种传统的方式，在特定的范围内也有比较稳定和可靠的性能，以及价格的优势，但也有它的很多不足，总结归纳如下： 2 传统inverter与压电陶瓷变压器inverter的比较 3 压电陶瓷变压器inverter应用电路 3.1 inverter电路方块图 压电陶瓷变压器正常工作时要求驱动信号的频率与压电陶瓷变压器本身的固有谐振频率保持一致，但是实际的应用当中压电陶瓷变压器的谐振频率会受到负载阻抗等外界因素的影响而发生变化。所以要求在电路中实现对驱动信号的频率进行反馈并调整。 3.2 inverter典型应用线路 由于压电陶瓷变压器的谐振曲线比较尖锐，所以工作点的设定非常重要。因此要保证电路的工作频率在压电陶瓷变压器谐振点的附近。 在实际的电路设计当中，入力端与传统的inverter没有任何的差别，主要包括on/off、Dimming以及入力的电源，出力部分仍然是标准的高压输出端，传统应用中的大多数IC加上合适的外围电路也能很好进行控制与驱动。 3.3 压电陶瓷变压器在inverter应用中的问题 目前来说，压电陶瓷变压器在inverter应用中还是存在比较大的问题，就压电陶瓷变压器产品本身这个层面来讲，已经比较成熟，关键问题是广大的应用工程师，特别是研发部门的工程师，有很大一部分并不能正确认识这个产品，甚至并不十分了解压电陶瓷变压器的工作原理，更不用说去评估压电陶瓷变压器inverter了，导致了很多人为的障碍。另一方面，由于生产工艺方面的原因，生产压电陶瓷变压器的良率一直困扰生产企业，导致成本居高不下，也是导致用户止步的一个重要原因，当然这一部分并不会给最终产品——inverterRTER的良率带来任何影响。 小结 基于人们以往的认识，认为压电陶瓷变压器价格较高，这当然是有一个过程的，由于前期研发的投入较高，但是随着产品的推广，应用的加大，成本应该是直线下降的，这方面已经能做到与传统产品的价格持平甚至略低。另外一个应用者最为关心的问题是压电陶瓷变压器容易断裂，其实这也是一个误区，就材料本身来说，机械强度与传统的铁氧体并不分上下。 压电陶瓷变压器作为非传统的变压器，特别是作为从事技术研发的电子工作者来说，无论是从节能降耗还是从电路的性能方面考量，都会认为这是一个不可逆的方向，总有一天，会像晶体管代替电子管一样，压电陶瓷变压器都会代替传统的绕线变压器。随着压电陶瓷变压器这个产业的不断推进，应用不断推广，成本会迅速下降，产品的稳定性、量产的优良率都会进一步提高，在proble DVD(数字视盘机)、PDA(个人数字助理)、PMP(个人多媒体中心)、car TV、GPS(全球定位系统)、monitor、notebook、LCD TV等领域都已经有成熟的应。 |
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