开关电源的设计

变压器骨架Bobbin

一、EE10高频变压器

尺寸外观图：

性能：

1.工作频率：20kHz-300KHz

2.输出功率：0.5 to 5 W

3.工作温度：-40℃ to +125℃

4.储存温度：-25℃ to +85℃

5.储存湿度：30 to 95%

二、EE13高频变压器

性能

1.工作频率：20kHz-500KHz

2.输出功率：0.5 to 10 W

3.工作温度：-40℃ to +125℃

4.储存温度：-25℃ to +85℃

5.储存湿度：30 to 95%

高频变压器

一、线材

2uew指绝缘漆膜是聚氨酯漆，漆膜厚度是厚的规格。
uew是绝缘漆膜的为聚氨酯漆的统称，2是漆膜厚度等级。
漆膜厚度有0、1、2、3依次是特厚、较厚、厚、薄。
TEX-E三层绝缘线。

二、芯材

PC40（行业内又称40材）是日本TDK开发的铁氧体功率材料，是铁氧体功率材质中的基础材料，也是应用最广的材料。铁氧体磁芯关注的参数有磁导率（PC40的磁导率是2300），功率损耗，饱和磁感应强度Bs等参数。

三、气隙

使用气隙磁阻变大，变压器难饱和。

四、一个实例

(S) start开始；(F) finish结束

1、Pin 1入线用0.2mm 2uew 单根绕28匝+28匝（两层）出线挂pin2

2、一层tape

3、copper 屏蔽一层接pin5

4、一层tape

5、A入线用单根0.7三层绝缘线绕5匝B出线（这个是飞线）

6、一层tap

7、pin6入线0.2mm 2uew *2 双线并绕8匝出线挂pin5

8、一层tape

9、pin2入线0.2mm 2uew 单根绕26匝出线挂pin8

10、最后2层tape

11、Pin2是中间抽头

纹波

一、电源纹波的产生：

PCB布线；变压器输入端的开关管通断造成的尖峰，与开关管上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十MHz；变压器自身漏磁；变压器输出端的二极管在反向恢复瞬间，其等效电路为电阻电容和电感的串联，会引起谐振，产生的噪声频率也为几十MHz。这两种噪声一般叫做高频噪声。

二、电源纹波的测量
基本要求：使用示波器AC耦合，20MHz带宽限制，拔掉探头的地线。
1、AC耦合是去掉叠加的直流电压，得到准确的波形。
2、打开20MHz带宽限制是防止高频噪声的干扰，防止测出错误的结果。因为高频成分幅值较大，测量的时候应除去。
3、拔掉示波器探头的接地夹，使用接地环测量，是为了减少干扰。很多部门没有接地环，如果误差允许也直接用探头的接地夹测量。但在判断是否合格时要考虑这个因素。
4、还有一点是要使用50Ω终端。横河示波器的资料上介绍说，50Ω模块是除去DC成分，精确测量AC成分。但是很少有示波器配这种专门的探头，大多数情况是使用标配100KΩ到10MΩ的探头测量，影响暂时不清楚。在测量高频噪声时，使用示波器的全通带，一般为几百兆到GHz级别。

三、电源纹波的要求：

国标要求低于200mV，DC5V与12V输出等均适用。如果做到50mV以下，已经相当好。

四、降低纹波的方法：

1、以5V为例，输出端加820uF/6.3V固态电容，可以降低一半的纹波。有条件的可以并联多个固态电容，以进一步降低ESR。

2、加104瓷片电容吸收杂波。

3、变压器输入地与输出地加涤纶电容331-102均可。

4、二极管上并电容C或RC。

5、减小变压器的漏感。

漏感的产生：是由于某些初级（次级）磁通没有通过磁芯耦合到次级（初级），而是通过空气闭合返回到初级（次级）。

漏感的测量：一般方法是将次级（初级）绕组短路，测量初级（次级）绕组的电感，所得的电感值就是初级（次级）到次级（初级）的漏感。一个好的变压器漏感不应该超过自身励磁电感的2~4%。通过测量变压器的漏感，可以判断一个变压器制作的优劣。高频下漏感对电路的影响更大，绕制变压器时应该尽量降低漏感，大多采用初级（次级）-次级（初级）-初级（次级）的“三明治”结构来绕制变压器以降低漏感。

6、输出加LDO（low dropout regulator低压差线性稳压器）。

7、输出加一个共模电感，３或４圈就可以，线要粗些要不压降大，前后都加电解电容，最后那输出侧加一个无极性电容，104或105的，基本上就没什么问题了。

六、占空比的确定

1、占空比

BUCK降压变换器的占空比D=VO/VI;
BOOST升压变换器的占空比D=(VO-VI)/VO;
BUCK-BOOST升降压变换器的占空比D=V0/(VI+VO);

FLY BACK反激的占空比一般取0.4

反激式开关电源从电感电流是否连续，分为DCM和CCM两种电流模式，一般工作在DCM下，占空比设置小于0.5，然而工作在CCM下，占空比可能会达到0.8以上，但绕制变压器时，占空比的设置一般都是小于0.5的。

2、反激式开关电源的电流模式

功率较小的时候用断续（DCM）模式，断续模式是指开关管完全截止后有一个间隔的时间，过了这个时间后开关管再导通。即变压器磁能释放完毕，或激磁电流下降到零，再延时后开关管导通。Vds不连续，所以叫断续模式，也因为不连续，断续模式的峰值电流相比连续模式的时候高很多，因为电源的功率小，即使峰值电流高一些也不会有很大影响。如果大功率的电源也用断续模式的话会有很多不稳定因素：开机浪涌电流、很高的峰值电流等。

功率较大的时候用连续（CCM）模式，变压器磁能尚未释放完毕，或激磁电流未下降到零时开关管再次导通。所以连续模式的波形呈梯形状，而断续模式的电流波形是三角锯齿状。峰值电流小了很多，而且拥有更好的EMC。

不过一般来说电源工作在临界模式是最理想的，即在DCM模式中的激磁电流刚好下降到零时，开关管马上再次导通，没有延时。临界模式介于连续和断续之间.

按照功率相对来说，反激电源的话，大概25瓦以下一般用断续，超过25W用临界模式就好了。更大功率就用连续模式。还有，很多电源都是设计成全电压的，AC85-265V通用，电源在85V的时候，连续模式；在150V的时候，临界模式；而在265V的时候，变成断续模式。

电感磁饱和

一、电感磁饱和的原因：

电子在原子外层绕著数层轨道旋转，每一层电子旋转都会依愣次定律产生一微弱的磁场，每一层的磁力不同、方向也不同，但合力为零，没有磁性。当一线圈通电流，同样的依愣次定律产生一磁场，磁力线穿过磁性材料（铁心），磁性材料内原子的电子旋转轨道开始转向，以抵消线圈产生的磁力线，线圈电流越大，越多磁性材料电子的旋转方向改变，最后所有磁性材料电子旋转方向都相同时，就是磁饱和。

二、电感量的大小与饱和的理论分析：

空心线圈结构的电感可认为不会饱和，带铁心回路的电感存在饱和问题。电感L随着磁路的饱和而变小。理论依据如下：

设电感绕组等效匝数为N匝，等效磁路长度为len，通入电流为I，磁路的等效截面积为S，μ为磁导率，Φ是磁通。

由：Φ= B*S, B = μ*H, H*len = N*I并根据电感的定义，可得：L = N*Φ/I（公式推导见下方）= N*(B*S)/I = N*(μ*H*S)/I = N*(μ*H*len*S)/(I*len) = N*(μ*N*I*S)/(I*len) = N^2*μ*S/len。

当通入电感的电流很大时，μ=B/H，H很大，B已达到最大值不再变化，那么μ趋向于零，所以相应的电感L也趋向于零。

μ＝导磁率(magnetic permeability of material) (Henrys/meter)

导磁率又称导磁系数，是衡量物质的导磁性能的一个系数，以字母μ表示，单位是亨/米。μ等于磁介质中磁感应强度B与磁场强度H之比，即通常使用的是磁介质的相对磁导率μr，其定义为磁导率μ与真空磁导率μ0之比，即μ=B/H。

磁导率表示物质磁化性能的一个物理量，是物质中磁感应强度B与磁场强度H之比，又称为绝对磁导率。物质的绝对磁导率和真空磁导率（设为μ0=4π*10^-7H/m）比值称为相对磁导率，也就是我们一般意义上的磁导率。

三、关于BH：