自己設(shè)計開關(guān)電源變壓器

顧建達(dá)

摘要：本文以它激式反激開關(guān)電源為例，深入淺出地介紹了開關(guān)變壓器的設(shè)計流程。著重介紹了其中最難理解的磁芯間隙這一參數(shù)設(shè)計的來龍去脈。適合職業(yè)技術(shù)類院校電信工程專業(yè)作為《開關(guān)電源》課程的補充內(nèi)容。

引言

在電信技術(shù)工程專業(yè)中，人培方案有《開關(guān)電源》這門課。但很少涉及設(shè)計，尤其是開關(guān)變壓器的設(shè)計。筆者認(rèn)為，這個可以補充。用當(dāng)下時髦的話來說就是：可以活頁。

涉及開關(guān)電源的崗位，一般理解無非就是生產(chǎn)制造崗位、使用維護崗位。其實，在工業(yè)自動化、物聯(lián)采集這個領(lǐng)域，其裝置、板卡往往都需自帶（板載）開關(guān)電源電路。這一領(lǐng)域的企業(yè)小型、分散，但每家企業(yè)至少需要一名能設(shè)計開關(guān)電源的技術(shù)人員。所以，這也是我們的學(xué)生就業(yè)的一大片天地。

開關(guān)電源的設(shè)計，這里不妨以當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的它激式反激開關(guān)電源為例。這類開關(guān)電源大多采用PWM芯片，故在電路方案上，完全可參考開關(guān)集成芯片廠家提供的樣例。然而唯獨開關(guān)變壓器，需要針對不同的場景進(jìn)行不同的設(shè)計。

筆者初次接觸開關(guān)電源時，也曾一度被同一參數(shù)在不同書上的計算公式各不相同這一表象搞得一頭霧水。遂靜下心來自己推演，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原來沒有那么高深莫測，中等專業(yè)學(xué)校的學(xué)生就能理解并掌握！限于篇幅，這里僅舉磁芯間隙這參數(shù)的計算為例進(jìn)行探討：

一、簡單回顧

1，預(yù)備知識（電磁學(xué)經(jīng)典：兩大定律、兩個物理量）：

2，反激式原理（變壓器兩側(cè)：初、次級輪流工作）：

①初級導(dǎo)通，初級電感充電，變壓器儲能。E1= U1恒定，初級電流i1線性上升。此時，次級感應(yīng)電勢E2因二極管反向阻斷而“無所作為”！ 這一過程純粹為變壓器的儲能（電能轉(zhuǎn)化成磁能）的過程。

②初級關(guān)斷，感應(yīng)電勢立即換向，二極管變?yōu)閷?dǎo)通，產(chǎn)生次級電流i2。由于輸出電壓恒定（想想為啥），故次級感應(yīng)電勢E2=U2=（Uo+UD）也被嵌位恒定，次級電流i2線性下降。因此初級感應(yīng)電勢E1 = （N1/N2）*E2也被嵌位，此值稱為反射電勢，記作Vorf。

波形說明：初次電流沒有從零開始上升、次級電流也沒有降到零。這是進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的工況。這種工況不是必然的，但我們要合理選擇參數(shù)，使這種工況得以保持。

二、變壓器設(shè)計（計算：磁芯、繞組參數(shù)）：

1，出發(fā)點：

我們從哪里開始呢？先來梳理一下有哪些已知條件，需求哪些參數(shù)。

①輸出電壓Uo與功率Po（或電流Io），這是設(shè)計指標(biāo)。

②輸入電壓Ui，這是由國家標(biāo)準(zhǔn)決定的。

③反射電勢Vorf ，這個值通常根據(jù)經(jīng)驗取。

④開關(guān)頻率fo，這通常是開關(guān)芯片決定的。?? ①磁芯材料與尺寸

②繞組圈數(shù)與線徑

③初級電感與磁隙

④串口容積率核算

2，計算步驟：

①確定開關(guān)頻率：這個根據(jù)應(yīng)用場合對體積的要求定，通常開關(guān)芯片也會推薦。

②選定磁芯：通常開關(guān)頻率決定材質(zhì)、功率決定尺寸。這個靠經(jīng)驗或資料比較直接。

③確定開關(guān)占空比：這個有推薦值，最大不超過0.5，常取：Dmax = 0.45。

注意：有頻率和占空比，就可確定初級開通時間ΔT= Dmax*To（To =1/fo）。

④計算電流參數(shù)：這步計算根據(jù)次級電流均值應(yīng)該等于輸出電流（I2av=Io）這一條，計算次級電流的增量ΔI2、峰值I2p和有效值I2rms。然后由次級反射到初級，計算出初級電流參數(shù)：ΔI1、I1p、I1rms等。這里列出重要關(guān)系式⑴：ΔI1=Krp*I1p（Krp為波形系數(shù)，可選定）。

從次級電流反射到初級電流，有個重要關(guān)系：在初級關(guān)斷、次級開通這個時刻，根據(jù)安倍環(huán)路電流定律應(yīng)該有：N1*I1p = N2*I2p 這個平衡關(guān)系式。

增量ΔI1和峰值I1p后續(xù)計算需要。有效值I1rms，結(jié)合高頻電流趨膚深度可確定次級繞組的最佳線徑（dcu=1.32/√（fo/1000））。

⑥計算磁芯間隙：磁芯間隙這個參數(shù)的確定比較特殊，因為在初級回路，法拉第定律還可表述為：U1= L1*（ΔI1/ΔT），至此就可首先推得初級電感L1。而決定L1的條件是初級繞組的結(jié)構(gòu)，包括匝數(shù)N1、磁芯截面Ae、磁路長度le等參數(shù)。實際的磁路通常為圖2所示。

三、結(jié)語（破除迷信就沒有公式）：

以上過程，不僅給出了設(shè)計流程還給出計算依據(jù)。計算沒有高深的數(shù)學(xué)，依據(jù)也幾乎是《電工基礎(chǔ)》課程里都有的。所以，很多所謂“學(xué)問”遇到靜下心來的演繹，就不再“神秘”。知道了所以然也就不再為眾多的所謂“計算公式”煩惱了。如果實際工作反復(fù)地應(yīng)用設(shè)計，促進(jìn)了對開關(guān)電源原理的理解，那就是“意外”的收獲啦。