我一说你就懂的电源知识——开关电源变压器结构和组成

电子芯期天 2023-06-28 07:30

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最基础的反激式变压器开关电源的简单工作原理图。

在这一电路系统中，Ui是开关电源的输入电压，T是开关变压器，K是控制开关，C是储能滤波电容，R是负载电阻。下图是反激式变压器开关电源的电压输出波形。

开关电源变压器和开关管一起构成一个自激（或他激）式的间歇振荡器，从而把输入直流电压调制成一个高频脉冲电压。在反激式电路中，当开关管导通时，变压器把电能转换成磁场能储存起来，当开关管截止时则释放出来。在正激式电路中，当开关管导通时，输入电压直接向负载供给并把能量储存在储能电感中。当开关管截止时，再由储能电感进行续流向负载传递。

变压器的初级电感量是202uH，参与耦合的却只有200uH，那么有2uH是漏感。次级是50uH，没有漏感。变压器的电感比是200：50，那么意味着变压器的匝比NP/NS=2：1设定瞬态扫描，时间10ms，步长10ns，稳态时的波形：

t0时刻，MOS开通，初级电流线性上升。

t1时刻，MOS关断，初级感应电动势耦合到次级向输出电容转移能量。漏感在MOS上产生电压尖峰。输出电压通过绕组耦合，按照匝比关系反射到初级。这些和CCM模式时是一样的。这一状态维持到t2时刻结束。

t2时刻，次级二极管电流，也就是次级电感电流降到了零。这意味着磁芯中的能量已经完全释放了。那么因为二管电流降到了零，二极管也就自动截止了，次级相当于开路状态，输出电压不再反射回初级了。由于此时MOS的Vds电压高于输入电压，所以在电压差的作用下，MOS的结电容和初级电感发生谐振。谐振电流给MOS的结电容放电。Vds电压开始下降，经过1/4之一个谐振周期后又开始上升。由于RCD箝位电路的存在，这个振荡是个阻尼振荡，幅度越来越小。

t2到t3时刻，变压器是不向输出电容输送能量的。输出完全靠输出的储能电容来维持。

t3时刻，MOS再次开通，由于这之前磁芯能量已经完全释放，电感电流为零。所以初级的电流是从零开始上升的。

绕组的电压关系——变压器基本特性

法拉第定律:

根据法拉第定律，得出输入输出电压的关系：匝数比

楞次定律---变压器的电流关系

闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来”阻碍”引起感应电流的磁通量的变化。

可用作变压器磁芯的软磁材料

选择磁性材料的关键点：

Ａ：磁心的饱和磁密度

Ｂ：磁心的损耗(储能与放能之差)

关于饱和磁密度：

磁饱和是磁性材料的一种物理特性，指的是导磁材料由于物理结构的限制，所通过的磁通量无法无限增大，从而保持在一定数量的状态。

磁饱和是一种磁性材料的物理特性，磁饱和产生后，在有些场合是有害的，但有些场合有时有益的。比方磁饱和稳压器，就是利用铁心的磁饱和特性达到稳定电压的目的的。电源变压器，如果加上的电压大大超过额定电压，则电流剧增，变压器很快就会发热烧毁。

假定有一个电磁铁，通上一个单位电流的时候，产生的磁场感应强度是1，电流增加到2的时候，磁感应强度会增加到2.3，电流是5的时候，磁感应强度是7，但是电流到6的时候，磁感应强度还是7，如果进一步增加电流，磁感应强度都是7不再增加了，这时就说，电磁铁产生了磁饱和。

有磁芯的电感器有磁饱和问题, 在电感器中加铁氧体或其他导磁材料的磁芯, 可以利用其高导磁率的特点, 增大电感量减少匝数减小体积和提高效率. 但是由于导磁材料物理结构的限制, 通过的磁通量是不可以无限增大. 通过一定体积导磁材料的磁通量大到一定数量将不再增加, 不管你再增加电流或匝数, 就达到磁饱和了. 尤其在有直流电流的回路中, 如果其直流电流已经使磁芯饱和, 电流中的交流分量将不能再引起磁通量的变化. 电感器就失去了作用.

B-H曲线

用图形来表示某种铁磁材料在磁化过程中磁感强度B与磁场强度H之间关系的一种曲线，又叫B-H曲线。这种曲线可以通过实验方法测得。B与H之间存在着非线性关系。当H逐渐增大时，B也增加，但上升缓慢（oa段）。当H继续增大时，B急骤增加，几乎成直线上升（ab段），当H进一步增大时，B的增加又变得缓慢，达到c点以后，H值即使再增加，B却几乎不再增加，即达到了饱和。不同的铁磁材料有着不同的磁化曲线，其B的饱和值也不相同。但同一种材料，其B的饱和值是一定的。

磁场强度和磁感应强度均为表征磁场磁场强弱和方向的物理量

磁感应强度是一个基本物理量,较容易理解,就是垂直穿过单位面积的磁力线的数量.磁感应强度可通过仪器直接测量.磁感应强度也称磁通密度,或简称磁密.常用B表示.其单位是韦伯/平方米（Wb/m^2）或特斯拉（T）

磁场传播需经过介质（包括真空）,介质因磁化也会产生磁场,这部分磁场与源磁场叠加后产生另一磁场.或者说,一个磁场源在产生的磁场经过介质后,其磁场强弱和方向变化了

为了描述磁场源的特性,也为了方便数学推导,引入一个与介质无关的物理量H,H=B/u0-M,式中,u0为真空磁导率,M为介质磁化强度.这个物理量,就是磁场强度.磁场强度的单位是安/米（A/m）。

简单的说：B是结果（最后产生的磁感应结果）、H是外因（外界对介质施加单的磁的强度）。

磁损曲线

磁心的Bmax的选择方法

f*B: 表现一个材料在一个频率下所能通过的B的能力

A.频率提高, 磁能材料能够通过功率的能力提高

B.频率提高到一定程度,会有一个更好的高频材料来接替

一般情况下，需通过设计保证Bm（最大磁通密度）小于或远小于Bs（饱和磁通密度），而工作磁通密度是-Bm~Bm间的任意一个数值。特殊情况下，可有Bm=Bs

一般情况下

fs<150KHz,Bmax取决于Bs,

假设fs=100KHz,取Bs的80%为基准,材质3C96 ,Bmax=0.5*80%*Bs=136mT

fs>300KHz, Bmax取决磁损Pcv

假设频率fs=400KHz,取单位磁损为300mw/cc,材质N49, Bmax=32000HzT/400KHz=80mT

fs在150K至300K之间时, Bs和Pcv都考虑,取其小值.

假设频率fs=200KHz, 材料3C96,Pcv<300mw/cc

B1=0.5*80%*Bs=136mT;B2=28000HzT/200KHz=140mT,

取B1和B2中的小值作为Bmax=136mT

选择磁心的形状

形状分类	特点	适用情况
EE,ER,EC,ETD	常规铁心,价格低廉,窗口面积大,大功率时易作安规.	小功率的辅助电源，大功率电源，应用于功率密度较低的场合
EFD	平面化的EE类铁心	应用情况同上，应用于功率密度较低，且要求Low Profile，表贴或沉降式结构
PQ,RM	窗口面积较ＥＥ类的小，而Ae较ＥＥ类的大，	应用于高功率密度的条件．也适于作输出电感或ＰＦＣ电感窗口开口较小，不适合作很多路输出变压器

形状分类	特点	适用情况
PJ	ＰＯＴ Core的改进版，Ae大窗口小，磁屏蔽效果好；高度较矮	用于高功率密度且对高度有一定要求的变压器设计；不适合飞线，不适合使用Margin tape做安规
EQ	ＰＪ，ＰＱ的改进版，窗口条件比PJ好，高度和Ae比ＰＱ好；磁屏蔽效果不如PJ	用于高功率密度且对高度有一定要求的变压器设计；不适合飞线，不适合使用Margin tape做安规
Planar EE	低高度，Ae大，窗口小；中柱长宽比大，不适于绕线	应用于ＰＣＢ绕组等预制好的绕组的变压器和电感器