【好资料】各开关电源拓扑中的磁性元件

殳丁辰

各开关电源拓扑中的磁性元件

一个典型的交流－直流电源的框图
磁概念的回顾
磁性材料
电感和变压器

一个典型的多路开关电源

已一个电源技术规格为例
输入电压：
90 – 264 Vac, 47-63 Hz
90－264V交流，47－63Hz
输入电流：
最大2A
输入谐波：
在所有负载条件下均符合IEC1000-3-2 A14。
保持时间：
最少20ms。
浪涌电流：
在264V时40A峰值（冷启动）
输出：

效率：120V交流输入，满载时最小75％
温度：
工作温度：见下面的降额曲线

储存温度：
-40 oC 至+85 oC
功能框图

变压器

在正激变换器中，如同在大多数拓扑结构中一样，变压器只是简单的将能量从初级传递到次级而不储存能量。
磁心截面积必须满足磁通量，窗口面积必须与电流相适应。=>AP值。
输出电路

输出电压的典型配置——两个次级，带有一个由5V输出进行磁放大器后调整导出的较低的电压输出。
至初级PWM的反馈通常来自5V输出，而＋12V输出为准稳压输出。
泄
如果电器没有绝缘，则用户便为电流提供了一个流回地面的路径！即使绝缘，也会有少量的泄漏电流。漏电流受变压器的影响
虚线表示“第三线”接地，在2线（“第2类”）电器中是没有的。
泄漏电流的规格会影响输入滤波器的设计，因为旁路（“Y”）电容将电流由火线导入大地。

变压器

注意带点的极性。
当Q2导通时输出导通。
次级Vpeaks = +Bus • Ns/Np
注意输出耦合扼流圈，L3。
绕组的匝数比必须与变压器相同，即为输出电压加上CR3和CR5的二极管压降
输出扼流圈在连续导电的情况下，每个输出电压等于次级电压的平均值（忽略二极管压降）。
因此，每个输出电压等于它的次级峰值电压乘以初级母线电压的负荷比，＋Bus（忽略二极管压降和Q2的导通电压）。

磁概念的回顾

磁性元件设计中用到的单位
电流和磁通量
磁性材料的特点
法拉第定律（“变压器方程”）
单位及其符号

注意：以人名命名的单位不用大写（安培ampere，亨利henry，伏特volt ），但其符号必须大写（ A，H，V ）。
右手法则
电流流动引起的磁通方向

右手握住导体，拇指指向电流流动的方向。四指代表磁力线的方向。
材料特性

磁性材料的主要特性
H = NI/le = 每米的安匝数
-经典的定义是安培每米（假设只有一匝）
-le= 磁路长度
μ =磁导率，通常是相对于空气（ μ空气= 4⋅π ⋅10^-7 H/m ）
磁芯特性

不带绕组的磁芯。
材料特性，Ae和le。
-Ae = 磁芯面积，le = 有效磁路长度
-斜率的常用单位是“电感系数”，通常为nH / t^2
线圈特性

使用伏特·秒和安培，电路工程师可以方便地使用时域分析法来分析磁性元件。
“变压器方程”

B的单位是特斯拉，Ae的单位是m^2 ，f的单位是Hz
-通用SI单位
饱和磁通密度，即Bmax，决定了特定变压器或电感绕组在特定频率下每一匝可以施加的最大电压。
现在，请仔细观察：
从法拉第定律得出的变压器方程

注意：该方程适用于方波（ Δt = 半个周期）。
一个非常重要的定律

只有磁通变化才会有感应电压。
如果磁通往返摆动，电压也会摆动。
为了得到一个纯直流电压，磁通必须不断增大。
因此，我们发明磁整流器的可能性为零。
一个绕组（忽略绕线电阻）两端的平均电压（直流）总是零。这是最有用的定律之一。
常用材料

注意宽范围的磁导率和功耗。

电感和变压器

电感工作原理（例如：降压调整器）
导电模式
-连续模式
-临界导电模式
-不连续模式
升压调整器
变压器工作原理
-反激变换器
-正激变换器
电感工作

电压和电流的关系为： V = L di/dt。
电流的斜率= V / L。
-正电压：电流斜升。
-负电压：电流斜降。
降压调整器（连续导电）

电感电流连续。
–Vout是其输入电压（V1）的平均值。
–输出电压为输入电压乘以开关的占空比（D）。
–接通时，电感电流从电池流出。
–断开时，电流流过二极管。
–忽略开关和电感中的损耗，D与负载电流无关。
降压调整器的特征曲线及其导数：
–输入电流不连续（斩波），输出电流连续（平滑）。
降压调整器（临界导电）

电感电流仍然是连续的，但在开关再次接通时电流“达到”零点。
–这被称为“临界导电”。
输出电压仍等于输入电压乘以D。
降压调整器（不连续导电）

在这种情况下，电感中的电流在每个周期的一段时间中为零。
输出电压仍然（始终）是v1的平均值。
输出电压不是输入电压乘以开关的占空比（D）。
当负载电流低于临界值时，D随着负载电流而变化（而Vout保持不变）。
升压调整器

输出电压始终大于（或等于）输入电压。
输入电流连续，输出电流不连续（与降压调整器相反）。
输出电压与负荷比（D）的关系不如在降压调整器中那么简单。在连续导电的情况下：

在本例中， Vin = 5，Vout = 15， D = 2/3。
变压器（无能量存储）

所有绕组的安匝数之和为零。
–右手法则适用于所施加的电流和它所产生的磁通。输出绕组上出现相反的电流。
变压器工作原理
包括初级电感的作用

变压器看作理想的变压器，它的初级（磁化）电感与初级并联。
反激变压器（实际是多绕组电感）

反激的初级电感一般很低，用于确定峰值电流和存储的能量。当初级开关断开时，能量传送到次级。
正激变换变压器

正激的初级电感一般很高，因为无需存储能量，是纯粹的变压器。
磁化电流（ i1 ）流入“磁化电感”，使磁芯在初级开关断开后去磁（电压反向）。