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开关电源工程化实用设计指南开关电源是一种非常重要的电力转换设备，它可以将输入的直流电压转换为输出的交流电压，从而满足各种电子设备的供电需求。
开关电源的工程化实用设计是一项涉及到多个领域的技术工作，包括电路设计、磁性元件设计、功率转换器设计、控制器设计和可靠性设计等。
下面将介绍开关电源的工程化实用设计指南。
一、电路设计开关电源的电路设计是整个设计的核心，也是最关键的一步。
在电路设计中，需要考虑以下几个方面的因素：输入和输出电压：开关电源的输入和输出电压需要根据电子设备的实际需求来确定。
在输入电压方面，需要考虑到电网电压的波动和噪声等因素，确保开关电源能够稳定工作。
在输出电压方面，需要根据电子设备的功率和负载特性来进行设计，确保输出的电压能够满足电子设备的供电需求。
功率容量：开关电源的功率容量需要根据电子设备的功率需求来确定。
在确定功率容量时，需要考虑到开关电源的最大负载和可能出现的峰值负载等因素，确保开关电源的功率容量足够且不会出现过载或损坏的情况。
电路拓扑：开关电源的电路拓扑是指其基本电路结构。
根据不同的需求，可以选择不同的电路拓扑来进行设计。
常用的电路拓扑包括BUCK型、BOOST型、BUCK-BOOST型等，需要根据实际情况来选择合适的电路拓扑。
控制方式：开关电源的控制方式是指如何控制开关管的导通和关断，以达到稳定输出电压的目的。
常用的控制方式包括脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和电流模式控制等，需要根据实际情况来选择合适的控制方式。
二、磁性元件设计开关电源中的磁性元件主要包括电感和变压器，它们在功率转换器中起到重要的作用。
在磁性元件设计中，需要考虑以下几个方面的因素：磁芯材料：磁芯材料的选择是磁性元件设计的关键。
常用的磁芯材料包括铁氧体、坡莫合金和非晶合金等，需要根据实际情况来选择合适的磁芯材料。
线圈设计：线圈设计是磁性元件设计的另一个关键因素。
在电感设计中，需要考虑到线圈的匝数、线径和绕制方式等因素，以确保电感能够满足开关电源的负载需求。
磁性元器件思考题1. 有一根导线直径d ＝1cm ，置于空气中，流过电流5安培，请问在垂直于导线的平面上，距离导线中心5cm 圆周上，磁场强度H =？B =?（分别用MKS 和CGS 表示）？标出磁场强度方向。
以导线中心为圆心的直径0.5cm 处磁场强度H=?2. 环尺寸如题图2(b)，左边线圈流入2A 电流，右边线圈流入1A电流（题图2(a)），磁导率μr =1000。
请问磁芯中磁场强度H =?,磁感应强度B=?3. 题图1与导线同心放置一个磁导率μr =1000的磁环。
环的内径d =4cm,外径D =6cm,高h =1cm 。
请问磁芯中H ＝? B =? φ=?(分别用MKS 和CGS 单位表示)4. 有一个磁环如题图2(b)，不知道其磁导率是多少。
磁环尺寸内径d =4cm,外径D =6cm, 高h =1cm 。
在环上绕了20匝线圈，测量得到电感量为10μH ，请求出磁环材料的相对磁导率和绝对磁导率。
在CGS 中磁导率是多少？如果给20匝线圈流过0.5A电流，线圈的总磁链是多少？5. 一个磁环的相对磁导率为3000,外径、内径和高分别为38.1mm 、25.4mm 和19.05mm 。
求40匝线圈的电感量。
6. 证明一个气隙磁芯电感的气隙长度δ与磁路长度l c 之比为 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=c c c H l NiB l 0μδ 7. 一个变压器上有3个线圈，测得一个变压器上两个线圈的电感分别为L 1=0.2mH 、L 2=50μH ，L 3=2μH 。
L 3的匝数为3匝,请问L 1 、L 2 的匝数为多少？将L 1与L 2串联测量总电感，L 1再颠倒一次与L 2串联测量一次，分别测得电感量为435μH 和50μH,请问两个线圈之间的互感M ＝？耦合系数k =?8. 能否列举两种以上判断同名端的方法。
请说出判断方法的原理。
9. 请证明两个耦合线圈并联等效电感公式（2-17）。
10. 如果一个变压器不知道初级和次级匝数。
开关电源设计的各种元器件介绍及作用设计并不是如想象中那么简单，特别是对刚接触开关电源研发的人来说，它的外围就很复杂，其中使用的元器件种类繁多，性能各异。
要想设计出性能高的开关电源就必须弄懂弄通开关电源中各元器件的类型及主要功能。
本文将总结出这部分知识。
开关电源外围电路中使用的元器件种类繁多，性能各异，大致可分为通用元器件、特种元器件两大类。
开关电源中通用元器件的类型及主要功能如下：一、电阻器1. 取样电阻—构成输出电压的取样电路，将取样电压送至反馈电路。
2. 均压电阻—在开关电源的对称直流输入电路中起到均压作用，亦称平衡电阻。
3. 分压电阻—构成电阻分压器。
4. 泄放电阻—断电时可将电磁干扰(EMI)滤波器中电容器存储的电荷泄放掉。
5. 限流电阻—起限流保护作用，如用作稳压管、光耦合器及输入滤波电容的限流电阻。
6. 电流检测电阻—与过电流保护电路配套使用，用于限制开关电源的输出电流极限。
7. 分流电阻—给电流提供旁路。
8. 负载电阻—开关电源的负载电阻(含等效负载电阻)。
9. 最小负载电阻—为维持开关电源正常工作所需要的最小负载电阻，可避免因负载开路而导致输出电压过高。
10. 假负载—在测试开关电源性能指标时临时接的负载(如电阻丝、水泥电阻)。
11. 滤波电阻—用作LC型滤波器、RC型滤波器、π型滤波器中的滤波电阻。
12. 偏置电阻—给开关电源的控制端提供偏压，或用来稳定晶体管的工作点。
13. 保护电阻—常用于RC型吸收回路或VD、R、C型钳位保护电路中。
14. 频率补偿电阻—例如构成误差放大器的RC型频率补偿网络。
15. 阻尼电阻—防止电路中出现谐振。
二、电容器1. 滤波电容—构成输入滤波器、输出滤波器等。
2. 耦合电容—亦称隔直电容，其作用时隔断直流信号，只让交流信号通过。
3. 退藕电容—例如电源退藕电容，可防止产生自激振荡。
4. 软启动电容—构成软启动电路，在软启动过程中使输出电压和输出电流缓慢地建立起来。
安森美半导体Magnetics in Switched-Mode Power Supplies开关电源中的磁性元件Outline 纲要Block Diagram of a Typical AC-DC Power Supply 一个典型的交流－直流电源的框图 Specification of the Power Supply 电源的技术规格Key Magnetic Elements in a Power Supply 电源中的关键磁性元件Review of Magnetic Concepts 磁概念的回顾Magnetic Materials 磁性材料Inductors and Transformers 电感和变压器References 参考文献Block Diagram of an AC-DC Power Supply交流－直流电源框图AC Input 交流 输入InputFilter 输入滤波器PowerStage 原边电源Rectifier 整流器TransFormer 变压器PFC 功率因数OutputCircuits 输出电路DC Outputs (to loads) 直流输出 （至负载）Specifications (Abbreviated) 技术规格（精简版）100-Watt Three-Output Power Supply 100瓦3输出电源Input Voltage: 输入电压：Input Current: 输入电流：Input Harmonics: 输入谐波：Hold-up Time: 保持时间：Inrush Current: 浪涌电流：Outputs: 输出：OUTPUT VOLTAGE (V) 输出电压(v) 5 3.3 1290 – 264 Vac, 47-63 Hz 90－264V交流，47－63Hz2 A maximum. 最大2A。
Meets IEC1000-3-2 A14 for all load conditions. 在所有负载条件下均符合IEC1000-3-2 A14。
开关电源中磁珠的特性与选用原则1、磁珠的特性开关电源尤其是大功率开关电源，它们的工作频率一般为100kHz，有的高达1MHz。
在高频的作用下，电源的输出整流管，在关断期间反向恢复过程中，会产生噪声和反向峰值电流，非常容易击穿整流二极管或MOS管，还容易在二极管或MOS管导通期间向外辐射高频率的干扰信号。
人们虽然在整流二极管的两端并联阻容元件组成高频旁路电路，但作用效果不太理想。
相反，由于增加了电阻、电容，在高频率的作用下造成损耗。
近年来，研发人员找到在二次侧滤波器输出线上套上一只磁珠，有力地抑制了噪声和干扰信号，还具有静电脉冲吸收能力。
磁珠的主要原料为铁氧体，是一种晶体结构亚铁磁性材料，它在低频时呈现电感特性，损耗很小；在高频时呈现电抗特性抵抗高频辐射。
它的性能参数与铁氧体磁心一样，为磁导率和磁通密度。
当导体穿过铁氧体磁心时，所形成的电抗是随着频率升高而增加，不同的频率其受理作用不一样。
磁珠在高频下的磁导率较低，电感量也小，干扰电磁波吸收很大；在低频时作用相反。
总而言之，磁珠器件具有低损耗、高品质因数的特性，可防止电磁辐射。
2、磁珠的主要参数（1）标准值磁珠的单位是按照在某一频率下所产生的阻抗来标定的，它的单位是Ω，一般以100MHz为标准。
如2012B601是指100MHz磁珠的阻抗为600Ω。
（2）额定电流是保证电路正常工作允许通过的电流。
（3）感抗磁珠在100MHz的高频下，在一闭环电路里，磁珠的两端所产生的电感量。
电感量的大小表示储能的能力大小。
（4）Q值品质因数。
（5）自谐振频率由于电感有分布电容的作用，将形成LC振荡电路而起振，称之为自谐振频率。
（6）超载电流表示电感器正常工作时的最大电流的2.2倍。
（7）封装形式及尺寸在PCB上多使用表贴封装元器件，这种形式具有良好的闭合磁路和电磁特性。
（8）磁通量磁珠在低频下承受电流越大，感抗随交流变化而呈容抗，磁珠发热而造电路损耗。
初始磁通量与品质因数Q得不到平衡。
第二部分 开关电源中磁元件第五章 变换器中磁芯的工作要求在功率变换中，应用了多种磁性元件：如脉冲、功率变压器，交、直流滤波电感，交、直流互感器，EMC 滤波电感以及谐振和缓冲吸收电感等。
但就磁芯工作状态主要分为四种，其代表性功率电路—Buck 变换器滤波电感、正激、推挽变压器和磁放大器中磁元件磁芯就属于这四种工作状态.5.1 Ⅰ类工作状态－Buck 变换器滤波电感磁芯图5.1(a)所示为输出与输入共地的Buck 变换器的基本电路。
输出由R 1和R 2取样，与基准U r 比较、误差放大，然后与三角波比较，输出PWM 信号，去控制功率开关S 的导通时间。
假设电路进入稳态，U o 为常数，L 为线性电感。
开关S 闭合时，输入电压U i 与输出电压U o 之差加到电感L 上(图5.1(b))，续流二极管D 截止，电感中电流线性增长(图(d))，直至开关打开前，电感存储能量。
当开关打开时，电感中电流趋向减少，电感产生一个反向感应电势，试图维持原电流流通方向，迫使二极管D 导通，将电感中的能量传输到输出电容和负载，电感放出能量，电感电流线性下降。
电感电流增加量（ΔI =(U i - U o )T on /L ）应当等于减少量（U o T of /L ）,由此得到U o ＝T on U i /T =DU i 。
通过改变功率开关的占空度D ，就可以控制每个周期导通期间存储在电感中的能量，从而控制了变换器的输出电压。
图 5.1(d)中，电感电流在整个周期内流通（可以过零或反向），电感这种状态称为电流连续状态。
电感电流的平均值，即纹波的中心值等于输出电流I o 。
当输出电流下降时，电感电流的变化率没有改变，斜坡的中心值在下降。
当输出电流达到变化量的一半时，斜坡的起始端达到零(图5.1(d)中虚线三角波)。
这种工作状态称为电感电流临界连续。
如果再继续减少负载电流，即增大负载电阻，输出电压将要增加。
负反馈电路使得功率开关导通时间减少，以保持输出电压稳定。
虽然电流变化率不变，电流变化量减少。
因此，在下一个导通时间到来之前电感电流已下降到零。
电感电流开始断续(图5.2)。
此时，为了保持输出电压稳定，占空度随负载电流变化很大。
在电感电流断续前，一直保持U o =DU i (D =T on /T －占空度)。
由于功率开关导通压降和线圈电阻压降随输出电流减少，导通时间轻微地改变。
进入断续以后，U o =DU i 不再成立。
U (b) i(c) ti L (φo(d)图 5.1 基本Buck 变换器及其波形图 U i图5.2 电感电流断续波形电感电流断续似乎不是缺点：功率开关在零电流条件下开通，而二极管在零电流下关断。
与电感电流连续比较，处理同样的功率，需要电感量较小。
电感小，体积小，并有较好的动态性能。
然而，整个负载范围内电感电流断续，导通时间存储在电感中的能量根据式(2.4)有 W LI m p =122 (5.1) 式中I p －峰值电流。
在截止时间内将导通时存储在电感中的能量全部传输到负载。
存储在磁芯线圈中的能量与线圈电感量和电流的平方成正比。
在一定的工作频率下，当输出功率一定时，峰值电流很大。
磁芯中磁感应变化同样很大。
如果与电流连续时输出电流相同，功率开关和二极管的峰值电流几乎成倍增加，导通损耗增加；同时功率开关关断损耗大大增加。
电流的脉动分量加大，在下一章将看到，磁芯和线圈以及输出滤波电容的损耗将显著增加。
因此，在整个负载范围内电流断续仅用于小功率。
电感电流连续波形如图5.1(d)所示。
电感电流是一个脉动分量叠加一个很大的直流分量上。
对应磁芯中一个交变磁通分量叠加在一个直流偏磁上。
磁芯工作状态如图5.3所示。
磁芯工作在很大直流偏置的局部磁化曲线上。
如果电感L =N 2μ0μe A e /l e 为线性电感，即磁芯有效磁导率μe 为常数。
因此磁感应ΔB 为 ∆∆B L I NA e = (5.2) 式中ΔI －电感电流变化量；N －电感线圈匝数；A e －磁芯有效截面积。
对于直流分量B NI l LI NA e e e==μμ0 (5.3) 可见，磁感应（磁通）变化波形与电流变化波形一样。
即∆∆I I B Bk ==2 (5.4) 如果保证在整个负载范围电感电流连续，这样电感体积太大；权衡体积、损耗，功率器件等因素，一般允许在电感电流下降到10％额定输出电流（k =0.1）时进入断续状态。
即最小连续负载电流为()I I U U T LI o i o o n o m i n .==-=∆2201 (5.5) 考虑到D =T on /T 和U o =DU i ，由式(5.1)得到需要的电感量为()()L U U T I U U U T U I i o ono i o o i o =-=-025. (5.6)要使得磁芯在整个负载范围内不饱和，在最大输出电流(（I o +ΔI /2）=(1+k )I o ＝1.1I o )时，磁芯应不饱和，即(1+k )B <B s 。
磁芯应当采用气隙铁氧体或磁粉芯。
在开关频率较低时也可图5.3 反激式磁芯工作状态采用高饱和磁通密度的高硅薄带磁芯，为减少交流损耗，取更小的k 值。
这类磁芯工作状态称为Ⅰ类工作状态，也称为直流滤波电感工作状态。
属于这类工作状态的电感还有Boost 电感、Boost/Buck 电感、正激磁芯，以及所有推挽拓扑－推挽、半桥、非对称半桥和全桥变换器输出滤波电感磁芯，以及单端反激变换器的电感—变压器磁芯。
单端反激变压器（图5.4）与滤波电感的差别在于电感既作为储能电感，又作为能量传输变压器。
当开关S 导通时，次级二极管因反偏而截止，变压器初级作为电感运行。
当S 关断时，次级感应电势反极性迫使二极管导通，存储在磁芯中的磁场能量释放到输出电容 和负载，此时电感作为变压器运行，本质上仍是电感。
在单端反激电路中，为保证磁芯中磁通不能突变，在开关转换时，有i N i N 1122= (5.7)式中N 1 和N 2分别为初级和次级匝数； i 1为初级初始或终值电流；i 2为次级终值或初始电流。
即如果i 1是初值电流，则i 2是终值电流，反之亦然。
电感电流连续，在这里实际上是安匝连续。
反激变压器和滤波电感磁芯工作状态是一致的，相关波形如图5.4(b)所示。
Ⅰ类磁芯工作状态的特点:1.工作在电流连续状态下,直流偏磁大,交流分量小,工作于局部磁化曲线上,磁芯的磁导率是局部磁导率。
由于只包围局部磁滞回线，磁滞和涡流损耗都小。
可根据ΔB/2和工作频率在相应材料的比损耗曲线（相似于图4.20）上求得磁芯损耗值。
由于ΔB 很低，磁芯损耗小，在工作频率与双向磁化相同情况下，可采用较低频率的材料。
例如在50kHz 以下，可用合金带料（如薄带硅钢片）或磁粉芯作磁芯。
峰值磁通密度受饱和磁通密度限制，因此选择尽可能高的饱和磁通密度材料，有利于减少这类磁芯的体积。
2.由于含有较大的直流分量，因此在磁芯中产生很大的磁场强度H ，为了不使磁芯饱和，磁芯的磁导率不应当太高，即采用宽恒磁导率材料。
如果采用高磁导率的磁芯，通过在磁路中添加气隙减少磁导率，这时的磁导率为有效磁导率μe ，并可通过气隙的大小改变有效磁导率。
3. 如果磁芯完全工作在电感电流断续状态时，可以将磁芯看成一个交流分量叠加在等于D /2脉冲幅度的直流分量上。
损耗和正激变换器相似。
低频时磁芯饱和磁通密度限制了磁通密度取值，高频时磁通密度取值受损耗的限制，但与后面提到的双向磁化相比，脉动磁通幅度B m 相同时损耗仅为双向磁化损耗的30%～40%。
4．对于图5.1滤波电路，电感电流连续时需要的电感量 L U T I i of o =2min式中U i -电感输入端电压；T of -功率开关截止时间；I o min =ΔI /2－电感最小连续电流。
o i (a) (b)图5.4 单端反激变换器磁芯工作波形5.2 Ⅱ类工作状态－正激变换器变压器图5.5a 所示电路为单端正激变换器。
晶体管与变压器的初级N 1串联。
次级D 1、D 2、L 和C 组成输出整流滤波，相当于一个Buck 变换器。
当晶体管导通时,输入电压加在变压器的初级N 1，次级N 2感应电压迫使二极管D 1导通，变压器与一般变压器一样，如不考虑晶 体管导通压降和线圈电阻，有 U N AdB dti =1 在导通期间磁芯磁感应摆幅 ∆B U T AN i on =1 (5.8) 式中T on －开关管导通时间(S)；N 1－初级线圈匝数；A －磁芯截面积（m 2）。
如忽略次级二极管电压降，当开关导通时间结束时，次级电流 i I U U LT o o on 222=+- (5.9) 能量通过变压器传输到负载。
次级电流对磁芯起去磁作用，初级电流仅有很小部分用来磁化磁芯。
根据变压器原理，次级在初级的反射电流为 i N i N 2221'= (5.10) 如果激磁电感L m 为常数,激磁电流线性增长,并等于初级电流与反射电流之差: i U L t i i i i N N m i m ==-=-121221' (5.11) 磁化电流在导通时间结束时达到最大；当晶体管关断时，次级感应电势反向，二极管D 1截止，次级电流为零，导通期间存储在磁场中的激磁能量(Li m 2/2)在晶体管关断时，应当有通路释放，否则在变压器线圈感应很高（L m i m /t f ，t f －下降时间）的电压，使半导体器件在断开瞬间击穿。
如果将线圈短路，磁芯磁通不变，磁场能量保持不变，则磁芯不能复位，在晶体管再次导通时将使磁芯饱和。
为了解决磁芯复位或磁能释放问题，使磁芯回到初始磁化状态，有许多方法，应用最为广泛的是在电路中增加了第三个线圈N 3和二极管D 3，当晶体管导通时，D 3反偏截止，电路断开；晶体管关断时，D 3正偏导通，将磁化能量返回电源，使磁芯复位。
复位时间U o U B(φB r t H (c)图5.5 单端正激变换器T U T E N T N R i on on ≥≈331(5.12) 式中E 3—复位时N 3上感应电势。
为了保证储藏在磁芯中的能量完全返回电源，N 3应当和N 1紧耦合，否则初级漏感会引起关断电压尖峰。
电路和磁芯的相关波形如图5.5（b ）所示。
从电路工作原理可知，这类磁芯工作状态与滤波电感磁芯相似，都是单向磁化。
不同之处在于当晶体管导通时，正激变压器磁芯从零磁场强度单方向磁化到磁感应最大值；当晶体管截止时，磁芯恢复到零磁场强度对应的磁感应值。
如果不能回到导通时的磁芯初始磁化值，磁芯将逐渐磁化到±B S 。
磁芯工作磁化曲线如图5.5(c)所示。
这类磁芯工作状态称为Ⅱ类工作状态或正激工作状态。
属于这类工作磁芯状态的除了正激变换器的功率变压器外，还有脉冲驱动变压器，直流脉冲电流互感器等。
