开关电源变压器结构和组成

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

 



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

 线架 Bobbin：

顾名思义，Bobbin(线架或骨架) 在变压器中起支撑 Coil(线圈) 的作用。

Bobbin 的分类：

1、依据变压器的性质要求不同，按材质分为：热塑性材料，热固性材料。 热塑性材料我们常用的有尼龙(NYLON) ，塑料(PET) ，塑料( PBT) 三种。热 固性材料我们常用到的有电木(PM) 。

2、依据变压器的形状不同，Bobbin 又分为立式，卧式，子母式，抽屉式，单元格，双格。  

特性及用途：

1、电木(PM) ：热固性材料，稳定性高，不易变形，耐温 150°C，可承受 370°C 的高 温。表面光滑，易碎，不能回收。用于耐温较高的变压器。

2、尼龙(NYLON) ：热塑性材料，工程塑料，延展性好，不易碎，耐温 115°C，易吸水，使用前先用 80°C 的温度烘烤，使固性稳定。表面光滑，半透明，不易碎。一般用于耐油性强的变压器上。

3、塑料(PET) ：热塑性材料，510 系统，硬性高，易成形。不易变形，耐温 170°C，表面不光滑，不易碎，一般用于绕线管。

4、塑料(PBT) ：热塑性材料，较软，不易变形，不耐高温(160°C) ，表面不光滑，不易碎一般用于绕线管  





审核编辑：刘清