自己設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源變壓器

顧建達(dá)

摘要：本文以它激式反激開(kāi)關(guān)電源為例，深入淺出地介紹了開(kāi)關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)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(jì)的來(lái)龍去脈。適合職業(yè)技術(shù)類院校電信工程專業(yè)作為《開(kāi)關(guān)電源》課程的補(bǔ)充內(nèi)容。

引言

在電信技術(shù)工程專業(yè)中，人培方案有《開(kāi)關(guān)電源》這門(mén)課。但很少涉及設(shè)計(jì)，尤其是開(kāi)關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)。筆者認(rèn)為，這個(gè)可以補(bǔ)充。用當(dāng)下時(shí)髦的話來(lái)說(shuō)就是：可以活頁(yè)。

涉及開(kāi)關(guān)電源的崗位，一般理解無(wú)非就是生產(chǎn)制造崗位、使用維護(hù)崗位。其實(shí)，在工業(yè)自動(dòng)化、物聯(lián)采集這個(gè)領(lǐng)域，其裝置、板卡往往都需自帶（板載）開(kāi)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(jì)開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，這里不妨以當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的它激式反激開(kāi)關(guān)電源為例。這類開(kāi)關(guān)電源大多采用PWM芯片，故在電路方案上，完全可參考開(kāi)關(guān)集成芯片廠家提供的樣例。然而唯獨(dú)開(kāi)關(guān)變壓器，需要針對(duì)不同的場(chǎng)景進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)。

筆者初次接觸開(kāi)關(guān)電源時(shí)，也曾一度被同一參數(shù)在不同書(shū)上的計(jì)算公式各不相同這一表象搞得一頭霧水。遂靜下心來(lái)自己推演，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原來(lái)沒(méi)有那么高深莫測(cè)，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(jì)算為例進(jìn)行探討：

一、簡(jiǎn)單回顧

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

2，反激式原理（變壓器兩側(cè)：初、次級(jí)輪流工作）：

①初級(jí)導(dǎo)通，初級(jí)電感充電，變壓器儲(chǔ)能。E1= U1恒定，初級(jí)電流i1線性上升。此時(shí)，次級(jí)感應(yīng)電勢(shì)E2因二極管反向阻斷而“無(wú)所作為”！ 這一過(guò)程純粹為變壓器的儲(chǔ)能（電能轉(zhuǎn)化成磁能）的過(guò)程。

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

波形說(shuō)明：初次電流沒(méi)有從零開(kāi)始上升、次級(jí)電流也沒(méi)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(jì)（計(jì)算：磁芯、繞組參數(shù)）：

1，出發(fā)點(diǎn)：

我們從哪里開(kāi)始呢？先來(lái)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(jì)指標(biāo)。

②輸入電壓Ui，這是由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)決定的。

③反射電勢(shì)Vorf ，這個(gè)值通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取。

④開(kāi)關(guān)頻率fo，這通常是開(kāi)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(jí)電感與磁隙

④串口容積率核算

2，計(jì)算步驟：

①確定開(kāi)關(guān)頻率：這個(gè)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)體積的要求定，通常開(kāi)關(guān)芯片也會(huì)推薦。

②選定磁芯：通常開(kāi)關(guān)頻率決定材質(zhì)、功率決定尺寸。這個(gè)靠經(jīng)驗(yàn)或資料比較直接。

③確定開(kāi)關(guān)占空比：這個(gè)有推薦值，最大不超過(guò)0.5，常?。篋max = 0.45。

注意：有頻率和占空比，就可確定初級(jí)開(kāi)通時(shí)間ΔT= Dmax*To（To =1/fo）。

④計(jì)算電流參數(shù)：這步計(jì)算根據(jù)次級(jí)電流均值應(yīng)該等于輸出電流（I2av=Io）這一條，計(jì)算次級(jí)電流的增量ΔI2、峰值I2p和有效值I2rms。然后由次級(jí)反射到初級(jí)，計(jì)算出初級(jí)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(jí)電流反射到初級(jí)電流，有個(gè)重要關(guān)系：在初級(jí)關(guān)斷、次級(jí)開(kāi)通這個(gè)時(shí)刻，根據(jù)安倍環(huán)路電流定律應(yīng)該有：N1*I1p = N2*I2p 這個(gè)平衡關(guān)系式。

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

⑥計(jì)算磁芯間隙：磁芯間隙這個(gè)參數(shù)的確定比較特殊，因?yàn)樵诔跫?jí)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(jí)電感L1。而決定L1的條件是初級(jí)繞組的結(jié)構(gòu)，包括匝數(shù)N1、磁芯截面Ae、磁路長(zhǎng)度le等參數(shù)。實(shí)際的磁路通常為圖2所示。

三、結(jié)語(yǔ)（破除迷信就沒(méi)有公式）：

以上過(guò)程，不僅給出了設(shè)計(jì)流程還給出計(jì)算依據(jù)。計(jì)算沒(méi)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(wèn)”遇到靜下心來(lái)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(jì)算公式”煩惱了。如果實(shí)際工作反復(fù)地應(yīng)用設(shè)計(jì)，促進(jìn)了對(duì)開(kāi)關(guān)電源原理的理解，那就是“意外”的收獲啦。