变压器参数

很多刚接触的开关电源的工程师，在计算变压的时候，有些参数可能不是很理解，其实很多的公式与参数是在我们初中与高中的时候已解学过，只是长时间的不去应用很多都是忘记了的，下面我们来讲解这些参数。

首先对于电感的能量公式，I 是电感上面的流过的电流,电流要是变化的电流。

法拉第的实验表明，不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生。这种现象称为电磁感应现象，所产生的电流称为感应电流。

根据法拉第定律，我们知道电感式只要有变化的电流，那么我们的磁芯中就会有变化的感应磁通，

有变化的感应磁通，就可以通过磁芯把能量传输的其他绕组上面，这就是变压器的原理。

而电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通变化率成正比，若感应电动势用e表示，则，这就是法拉第电磁感应定律。

若闭合电路为一个n匝的线圈，则又可表示为，n为线圈匝数，为变化的磁通量，单位Wb。

看上面的图，变压器是多个绕组在同一个磁芯上面的，

当原边的线圈有变化的电流让磁芯产生变化的磁通时，副边的绕组同样会感应到变化的磁通，那么根据法拉第定律可以知道原边的感应电动势副边的绕组感应电动势,同一个磁芯里面的 相等，所以原副边电压之比是

Ae是磁芯的

Bmax的取值，因为不同的磁芯材料里面的饱和磁感应强度是不一样的，饱和磁感应强度为Bs

我们一般用的铁氧体比较的多，所以经常取Bmax=260mT-280mT，取值这一个值的原因一般应用的磁芯材料是PC40的，磁芯的饱和Bs=390mT，而电源的功率输出可能会有过功率，一般是1.2-1.3，所以我们会去留有余量1.4-1.5倍。

自激式电源的介绍

目前市面上的隔离电源非常的多，对于一些低成本的电源很多都是用反激来做的，随技术的更新，一些小功率电源都是用集成芯片做的，现在集成的芯片成本都非常的便宜，但是还是有很多的工程师在用自激式的电源，那对于自激式电源的特点有哪些了。

自激式开关电源的特点：

1、自激式开关电源结构简单，都是一些三极管、二极管、电容搭这些基础的器件搭建而成，生产制造成本低廉。不需要芯片控制，对于目前的很多的芯片都买不到的情况下，可能有很多的工程师会想到用自激式的方式来做电源。

2、自激式开关电源的脉冲信号是通过变压的绕组自激振荡产生的，这一种方式产生的脉冲它的频率是不固定的，随输入电压和负载变化而变化，轻载时开关频率较高或间歇振荡，满载时频率会自动降低，这里有点像它激式的PFM控制方式。

3、自激式开关电源在占空比D发生改变时，开关管的集电极电流与电压相对值发生变化，因此占空比的变化范围较小，一般设计的时候占空比小于50%。

4、自激式开关电源在搭建电路的时候也是可以具备一定的自保护功能，比如负载过重的时候，原边绕组的电流过的，通过检测限流电阻的大小来关闭主功率管的基极，因此保护电路比较简单，这是自激式开关电源的一大优点。

5、自激式开关电源因为随频率变化而变化，在功率大的时候电源稳定性很差，可靠性不高，我们想下自激式的电源都是一些三极管搭建的，三极管的一些特性随温度的变化而变化，这就导致了电源一致性很差。所以一些大功率的都比用自激式的方式。

以上的特点是自激开关电源所以具有的，自激式电源的优势就是结构简单成本低，用几个三极管就可以搭建而成。但是现在自激式开关电源越来越少了，这是因为很多国产的芯片制造商都能造出比自激式电源更简单便宜的芯片，外围电路可能就是几个电阻电容，电路非常简单，可靠性方面要比自激式电源好很多，在设计上面比自激式的电源要简单，这就导致了自激式电源成本低，器件少结构简单的优势荡然无存。所以一些小功率电源都转向了用集成式的芯片。

下面我们就自激式电源的工作方式简单的介绍下：

1、启动的时候，R1上面流过启动电流让Q1基极有电流流过，这样Q1的CE之间会导通，变压器的原边绕组加有输入电压，因为有电流流过而产生了自感，这样Np产生是上正下负的电压，如图上红色标识。

2、根据同名端电压相同，输出绕线产生了上负下正的电压，二极管反偏截止，输出绕组没有电流流过。

3、而辅助绕组的产生了上正下负的压，这个电压通过R2给C2充电，电流回路流过Q1的基极，使Q1的基极电流变大，这样加速了Q1的导通。

4、当Q1导通一段时间后，Np绕组的电流增大到一定电流后，在Rcs上面产生的压降能使Q2的基极导通，这样Q2的CE之间导通，Q2导通后Q1的基极电流开始下降，这样集电极电流开始变小，原边绕组Np电感为了阻止电流变小就会产生反向电动式，这样就会产生上负下正的电压，这时候辅助绕组Na也产生了上负下正的电压，这样R2就变成了给C2放电了，同时也减小了Q1的基极电流，加速关断Q1。

5、输出绕组D1这个时候导通，变压器释放能量，给负载提供能量并且给输出电容充电。等绕组的电流放完后，绕组再次振荡产生新的周期，这就是整个自激的过程。

输出二极管选取

关于怎么选用输出二极管

有关二极管选取一般从一下几点着手。

一、根据二极管应用的开关速度来选取不同类型的二极管，

二、根据输出的电流来选取二极管的电流范围

三、通过计算来确定二极管的反向电压，来选取二极管电压

四、根据损耗来选取二极管的封装

首先我们的清楚二极管的类型有一下几种

1、普票二极管

2、快恢复二极管

3、超快恢复二极管

4、肖特基二极管

他们的优缺点有

1、普通二极管的特性都是单一导通，是一个用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理做而成的二极管。他的反向恢复时间比较长，但是冲击电流比较大，反向耐压高。

一般都是用在低频整理，如输入的AC整流桥用。

2、快恢复二极管（FDR）是一种具有开关特性好，反向恢复时间短特点

快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同，它属于PIN结型二极管，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I，构成PIN硅片。

因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较短，反向时间一般在150ns-500n之间，正向压降较低，反向击穿电压(耐压值)较高。

主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用

3、超快恢复二极管：

超快恢复二极管，是一种具有开关特性好，反向恢复时间超短的半导体二极管，常用来给高频，逆变装置的开关器件作续流，吸收、钳位、隔离、等作用

超快恢复二极管的优点是，反向恢复时间短，一般在100nS以下，有大的电流能力与高抗浪涌电流能里，低正向压降、低反向漏电流。

4、肖特基二极管（SBD）：

SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属-半导体(接触)二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管

肖特基二极管的耐压能常较低（大多不超过200V），但是它的恢复速度快（10nS一40nS），正向压降低等特点，可以用在高频场合，开关电源中常常采用此种二极管作为整流输出用，能很好的提供效率。

反激输出二极管选择类型;

反激电源一般工作频率在几十kHz-几百kHz,那么对于反激输出整流二极管D1一般都会选择超快恢复的二极管或肖特基二极管，对选择是肖特基还是超快恢复二极管这的看输出二极管的反向耐压了，肖特基的耐压大多在200V以下，如果输出二极管的反向耐压小于200V是可以选择的肖特基，如果大于200V就选择超快恢复的二极管，

二极管的电流选择：

一般输出二极管电流都是会按照输出电流的3-5倍选取，

原因是我需要流有一定的余量

然后是，这个经验值也是根据二极管的电流降额曲线来评估的。

下图是一个600V10A的电流降额曲线图。

             600V10A 封装是T0-220

                                        US1M的电流降额曲线图。

我们通过上面两个图可以看出，当我们的电源在高温的环境里面工作的时候，输出二极管可能到达了120°左右，

那看上面的600V/10A的二极管，125°的时候电流降额到了5A,那么我们的留有一定的余量的话，通过的电流平均就是3-4A左右，如果是US1M的二极管，125°的温度的时候是不是就只有0.3A的电流了，那平均工作电流就只有工作了0.2A.所以差不多就是5倍了，所以3到倍的经验值就是这么来的。

反激二极管的耐压值的选择：

首先我们根据我们的反射电压与匝比计算出我们的耐压，然后流有一定的余量，一般选取二极管的耐压都是会≥1.2-1.3倍按照反射电压计算出来的耐压值。

封装的选择，封装有贴片与插件的，贴片的一般电流都不大，有SMA、SMB、SMC、插件的DO15、DO27、DO34、DO35、DO41 等，还有TO220，一般先选定是插件还是贴片，根据电流与电压来选二极管，规格书一般哦会有封装的。然后安需求来选取。

线性调整器

线性调整器又称为串联型调整器。

他的特点就是能从交流的输入电压获得一个可调整的直流输出电压，输入交流是一个变化的电压主要是通过一个整流滤波后得到一个直流电压然后再经过线性调整得到一个稳定的直流。

线性调整是通过整流后的电压与输出之间串联晶体管来实现的，而且这种串联晶体管工作在电压电流特性曲线的放大区域，其工作特性类似与可变电阻，调整管上面实际承受了被降低的多余的或过剩的那部分电压。这一个电压是随输入或输出的变化而变化的，这也就是为什么晶体管可以等效为是一个可变电阻。

如需要做一个不隔离的线性电源可以通过整流滤波然后再通过调整管来实现，如上面的图，这里面调整管的压降就是Va-Vo，为了保证我们的Vo可以得到一个稳定的电压，就需要考虑输入电压的变化范围，Va的电压在最低的时候都要保证Va＞VO，如果我们的输入电压是220V±20%，那么我们的输入范围最低是AC176V,整流后电容上面可以得到一个峰值电压，但是输入电容上面会有一个纹波电压，这是我们需要考虑的，如果输入电容上面的纹波电压是50V，那么最小的输入电压是176*1.414-50=198V,这也就是说输出电压Vo是不能＞198V，设计的时候就需要考虑了，假设输出电压是180V，如果输入电压要是在AC264V，那么调整管上面的最大压差就是264*1.414-180=193V，如果输出负载电流是I，在最大输入电压的时候，效率就是180*I/（264*1.414*I）*100%=48%，效率是比较低的，如果输出电压小于180V，效率会更低。为了解决比较低的输出电压，我们可以通过一个工频变压器来实现变压。如下面的图，通过变压器的匝比来实现电压调整。

从上面的图我们可以看到我们的输出电压是靠一个低频的变压器把输入的交流电压变压后再通过二极

管整流，这里用了半波整流，也可以用全波整流或者整流桥整流都是可以的，然后可以得到一个随输入电压变化的直流输出电压Va。那么我们的输出电压Vo需要一个稳定的直流。

输出电压一定要小于整流后Va的最小电压，那么Va电压是随输入电压变化而变化的，一般我们的交流输入电压AC220V有±20%变化的，那么我的变压器次级整流后的电压也是有一个±20%，当输入电压在最高的时候，Va点的电压也是最高，而我们的输出电压是不变的，那么我们的调整管的电压就是Va-Vo，Vo电压是小于最小Va电压，那么Vamin>Vo，从上面的公式里面我可以看到输入最大的时候整机效率要＜66%，这里还没有计算变压器的效率，从整体来看的话效率是比较低的。因为输出与调整管是串联，随输出电流的增大，调整管上面的损耗就增大.

从上面的两个图来看，我的线性电源效率是非常低的，但是它有自身的优点。

优点是结构相对简单，没有高频的开关整流器，设计电路简单，输出纹波小，高频干扰小，没有开关电源前面的EMI电路，整体电路简单，简单的电路带来最大的好处是便于维修，叠加在输出直流的纹波电压非常的小，也就是说输出的直流纯度非常的高，这也正是直流电源的重要标志。所以有要求纹波精度比较小的地方还是在用线性电源，

缺点：因为没有高频的开关整流器，变压器工作在50Hz的工频下，频率比较低，变压每个周期里面需要提供的能量比较多，导致变压器的就需要非常的大，输出的滤波电容也比较大，效率比较低，整个损耗基本都在输出调整管上，因为调整管是工作在线性区域的，调整管上面有一定的压降，随输出电流的增加，调整管上面的损耗也增加，调整管上面消耗功率非常的大，所以调整管上需要加很大的散热器。整个电源的体积非常大，并且非常笨重，不利于便携。

在电子产品不断更新换代的过程中，线性电源将逐步被高速的开关电源所取代。

但是现在有很多低成本的LED室内灯都在用线性电源来做。其原理与我们的第一个不隔离的图一样，只是负载是灯珠。

降压电路的演变

Buck电路是一个降压电路，

如果给定一个稳定的输入电压Vin，需要得到一个Vo的电压，Vin＞Vo，首先想到的是电阻分压。如下面的图，我们可以得到一个非常稳定的Vo

如果整个电路作为电源让输出电压Vo需要带载的话，比如加一个RL的负载，如果RL是一个变化的负载，那么输出电压Vo也是一个随负载RL变化而变化的电压，这样就不能得到一个稳定的直流电压Vo。

为了得到一个稳定的Vo电压，可以根据RL的变化来调控R1的大小，可以把R1固定电阻变成一个可变电阻，比如用一个电位器。如果RL变大，电位器的电阻也变大如果RL变小那么电位器的电阻变小，那么电位器电阻的变大变小是需要人来操作，为了方便，需要去找一个器件来替代这一个电位器，并且能随负载变化而变化阻值的，根据电子器件的特性，想到了三极管，让三极管工作在线性状态。

当我们增加了三极管后，RL的电流增加的时候，Vo电压下降的时候会引起三角管的be的压差变大，基级电流的变大，三极管工作在放电区域，基极电流增加引起的集电极电流增加，当集电极电流变大的使RL上的电压变大，这样就实现了一个稳定的Vo，但是这一个电路有一个非常明显的缺点就是输入电压变大的时候，三极管的基极电压会变高，会导致集电极电流变大，负载RL不变，通过的电流变大那么输出电压变大，如果输入电压变小的时候，同样输出电压变低，就是输出电压随输入电压变化而变化。

上面的图是有随输入电压的变化而变化，为了解决这问题，我们只要三极管的基极电压稳定后，输出电压就可以不随输入的变化而变化了，那可以把基极电压上面加稳压管，这样我们就能得到一个稳定的输出。如下图就是一个线性电源LDO，这个电源是通过调Q1的阻值来实现Vo的稳定，Vo电压稳定了，但是当Q1是与RL是一个串联，输出功率是Vo*I的时候，我的Q1上的功率是（Vin-Vo）*I，当输出电压与输入电压相差比较大的时候，效率是非常低。

为了解决效率非常低的问题，我们想到了如果让Q1工作在开关区域，当把Q1变成开关的时候，我们通过控制开关Q1的开通时间，但输出的电压是一个高地电平的脉冲电压，需要得到一个稳定的电压，是不是可以通过电容滤波来实现。

为了把输出的脉冲电压滤平整就需要增加电容C1，这样就可以实现Vo电压稳定，通过控制每个周期Ton值就行了，Vin*I*D=Vo*i,虽然是得到了一个稳定的Vo，但是开关管在打开的时候，输入给C1冲电的时，因没有限流电阻，这样会导致开关打开的时候，冲击电流比较大，对开关管的影响非常大，容易损耗，为了解决这样个问题，我们可以通过增加限流器件来保护开关，如果增加电阻来限流的话，是不是又回到了损耗增加，那就需要增加既能限流又能不增加损耗的器件，这时电感就能满足要求。

为了限流的同时又不增加损耗，我们可以通过增加电感来限流，如下图所示，当增加了L1电感后，当开关关断的时候，电感上就没有续流回路，会导致开关拉弧等现象出现，为了解决开关关断后电感有续流回路需要增加一个二极管来实现续流。

增加了续流二极管后，我们的buck电路基本就成型了，只是这个时候，我们可以把机械开关改成MOS管就可以了，这就能得到我们的buck电路。