BOSHIDA電源模塊 電源基礎知識 開關電源中的變壓器

電源變壓器主要作用有兩個:
通過原邊側和副邊側的匝比， 來方便有效地改變電壓(或電流），大小:
如上圖，匝比方程
提供高壓安全隔離:參見UL標準60950-1. 信息技術設備-安全-第1部分:通用要求等，本書第10章也會介紹到安規標準。
這些功能是通過使將兩個或更多個單獨的繞組與一個共同的磁芯耦合來實現的。施加到一個繞組的能量通過磁場耦合傳遞到其他繞組， 而繞組之間本身沒有任何直接連接(這稱為電流隔離或歐姆隔離)。
有兩種不同類型的變壓器:第一種是實時連續地將能量從原邊傳輸到副邊，而在變壓器內部存儲的能量極小，第二種則是首先將能量儲存在磁場中，然后將能量傳輸到副邊繞組。后一種類型通常被認為是 “反激式”變壓器，盡管它仍然是在個共用的磁芯 上具有兩個或更多繞組的變壓器，但是從設計觀點來看，看作為耦合電感器更好，因為是電感決定了隨后從原邊傳輸到副邊所攜帶能量的大小。
兩種類型的變壓器都采用相同的原理圖，如圖3.16所示:

該示意圖顯示了具有NP匝的原邊繞組以及具有NS匝的一個副邊繞組。當然。這可能存在多個副邊繞組，每個都可以有不同的輸出電壓，但是現在的討論將局限于雙繞組模型。匝比NP/NS表示每個繞組中的實際線圈匝數比，以及理想變壓器中的原邊和副邊的電壓比。
然而，實際應用中的變壓器還包含一些寄生元件:與原邊繞組并聯的勵磁電感LM.以及與原邊繞組串聯的漏感LL。磁化電感即代表用于建立磁耦合場的那部分輸入能量，其值由原邊匝數和磁芯特性確定。在傳統的(工頻)變壓器中，其值非常高，所以在磁場循環中損失的能量是很小的。
在反激式變壓器中，磁化電感是主要的儲能元件，用于儲存從原邊傳遞到副邊的所有能量。兩種變壓器的主要區別在于磁芯特性。常規變壓器的磁芯將具有高磁導率，從而允許磁場快速建立，而反激變壓器則具有低得多的磁導率，從而在一定的時間內允許在磁場中存儲更多的能量。
在原理圖中，變壓器漏感與原邊繞組是串聯的。而實際上，它存在于原邊繞組和副邊繞組之間，并且是由它們之間的物理隔離產生的。這通常是一個相當小的值，但不是做不足道的。也要考慮其影響。它受變壓器物理繞組方式的影響很大，如果將原邊和刷邊繞組首先絞合在一起然后纏繞在磁芯上， 這樣漏感值將是最小的，但這通常不是一個很實際的方法(因為需要考慮到初副邊絕緣要求)。但是為了安全所需要，各繞組之間必須增加電氣絕緣，這樣漏感會增加。并且如果主繞組和次繞組纏繞在磁芯上的位置相隔較遠的話，則該值會變得非常大。
在傳統的降壓變壓器中，原邊側漏感的影響更為嚴重，而在反激式變壓器中，副邊側變得更為重要，特別是當有多個副邊繞組時。漏感的物理效應表現為減緩或是延遲初次/級繞組電流的快速變化，所以當脈沖寬度調制信號通過變壓器時，信號寬度會稍微變窄。在每個功率傳輸周期中，存儲在磁化電感和漏感中的任何能量都必須復位歸零，這樣才能防止變壓器飽和。
雖然變壓器可以高效率工作，但在實際設計過程中仍然需要考慮其損耗，這些損耗可以分為兩類，即繞組損耗和磁芯損耗，一般設計目標是使它們大致相等。繞組損耗是由導線的直流電阻引起的損耗，即為I2R和繞組中交流損耗構成，但開關頻率增加時繞組中的交流損耗變得更加重要。而磁芯損耗是由磁場的作用引起的，很大程度上取決于磁芯的特性、磁通密度和開關頻率。

審核編輯黃宇