开关电源的电磁干扰（EMI）控制技术是电子工程师必须掌握的关键技能之一。电磁干扰可造成电子设备性能下降，严重时可导致设备无法正常工作。本文将从开关电源EMI的产生机理入手，探讨一系列抑制EMI的策略，以提高电源的电磁兼容性（EMC）。 开关电源的工作原理是将工频交流电整流为直流电，然后逆变为高频交流电，通过变压器隔离并调整电压，最终整流滤波输出稳定的直流电压。功率半导体器件，如三极管、二极管，是开关电源中的核心部件，它们在微秒量级内完成开闭动作。在这过程中，电流变化剧烈，产生射频能量，成为干扰源。高频变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流也会产生干扰。由于开关电源工作频率高，其分布电容不能忽略，这些分布电容在高频时会通过散热片等路径形成共模干扰。 EMI由三个基本要素组成：干扰源、耦合途径和敏感设备。为了控制EMI，必须从这三个方面入手，主要措施包括抑制干扰源、切断耦合途径以及提高敏感设备对干扰的抵抗能力。开关电源的EMI控制技术主要包括滤波技术、屏蔽技术、密封技术和接地技术。 EMI干扰可分为传导干扰和辐射干扰。传导干扰主要通过电源线或信号线传播，其频率范围宽，可达10kHz至30MHz。抑制传导干扰的方法根据不同的频段采取不同的策略。在10kHz至150kHz范围，通常使用LC滤波器解决常态干扰问题；在150kHz至10MHz范围，主要采用共模抑制滤波器来减少共模干扰；而对于高于10MHz的频段，则需要改进滤波器的结构和增加电磁屏蔽。 交流输入EMI滤波器是一种常用的抑制技术，用于抑制电源线上的共模干扰和差模干扰。滤波器中的差模电容用于短路差模干扰电流，而接地电容则用于短路共模干扰电流。共模扼流圈通过磁耦合抵消差模干扰电流，并对共模干扰电流呈现较大电感，从而衰减共模干扰信号。 此外，改善开关电源中功率器件的开关波形也是减少EMI的有效手段。例如，RCD浪涌电压吸收回路能有效减小开关管或二极管在开通和关断过程中的浪涌电压，降低因变压器漏感和线路电感引起的EMI。 在实际应用中，开关电源EMI控制技术的选择需根据电源的具体工作环境和电磁兼容性要求来确定。通过采用一系列的EMI控制策略，可以在确保开关电源性能的同时，减少对周围电磁环境的影响，从而提高整个系统的稳定性和可靠性。

### 开关电源EMI设计小结 #### 一、开关电源EMI源解析 开关电源在运行过程中会产生电磁干扰(EMI)，这些干扰主要来源于内部元件的快速切换以及外部环境的影响。 1. **功率开关管**：功率开关管在工作过程中处于高速开关状态，其电压变化率(dv/dt)和电流变化率(di/dt)都非常高，这使得功率开关管成为产生EMI的主要源头之一。由于快速变化的电流和电压，功率开关管不仅能够产生电场耦合干扰，还能产生磁场耦合干扰。 2. **高频变压器**：高频变压器中的漏感会导致电流快速变化(di/dt)，这种变化会产生较强的磁场耦合干扰。因此，高频变压器也是EMI的一个重要来源。 3. **整流二极管**：整流二极管在反向恢复过程中会产生高dv/dt，进而导致强烈的电磁干扰。这一过程通常发生在二极管从正向导通状态转变为反向截止状态时，反向恢复电流的断续会在引线电感和杂散电感中产生较高的电压变化率。 4. **PCB设计**：PCB板的设计质量直接影响到EMI的抑制效果。良好的PCB布局可以有效地减少EMI源之间的耦合，从而降低EMI的产生。 #### 二、EMI传输通道分类及特点 EMI可以通过传导和辐射两种方式传播，具体包括： 1. **传导干扰**： - 容性耦合：通过电容性连接，如寄生电容，将干扰信号从一个电路传到另一个电路。 - 感性耦合：通过互感效应将干扰信号从一个电路传递到另一个电路。 - 电阻耦合：主要包括： - 公共电源内阻产生的电阻传导耦合。 - 公共地线阻抗产生的电阻传导耦合。 - 公共线路阻抗产生的电阻传导耦合。 2. **辐射干扰**： - 在开关电源中，元器件和导线可以视为天线，产生电磁波。根据电偶极子和磁偶极子理论，二极管、电容、功率开关管可以被视为电偶极子；电感线圈则被视为磁偶极子。 - 当存在屏蔽体时，需要考虑屏蔽体的缝隙和孔洞对电磁波的泄露影响。 #### 三、EMI抑制的九大措施 针对开关电源EMI的产生机理，可以采取以下九项措施来有效抑制EMI： 1. **减小dv/dt和di/dt**：通过优化开关管的驱动电路或者使用软开关技术来降低电压和电流变化率，从而减少EMI的产生。 2. **压敏电阻的应用**：利用压敏电阻来吸收瞬态过电压，保护电路免受浪涌电压的损害。 3. **阻尼网络抑制过冲**：在电路中加入RC阻尼网络来抑制电压和电流的过冲现象。 4. **采用软恢复特性的二极管**：选用具有较慢反向恢复时间的二极管，减少反向恢复过程中产生的EMI。 5. **有源功率因数校正**：通过采用有源功率因数校正(APFC)技术来改善电源效率，减少谐波失真。 6. **电源线滤波器的设计**：合理设计电源线滤波器来过滤掉高频干扰。 7. **合理的接地处理**：良好的接地设计可以有效减少EMI的传播。 8. **有效的屏蔽措施**：通过使用屏蔽材料和技术来隔离干扰源。 9. **合理的PCB设计**：优化PCB布局，如正确布置电源和地线、合理布线等，以减少EMI。 #### 四、高频变压器漏感控制 1. **选择合适磁芯**：选择合适的磁芯材料，降低变压器的漏感。 2. **减小绕组间的绝缘层**：使用更薄的绝缘材料，如“黄金薄膜”，既能保证足够的绝缘性能，又能降低漏感。 3. **增加绕组间的耦合度**：通过优化绕组结构来提高耦合度，从而降低漏感。 #### 五、高频变压器的屏蔽 为了防止高频变压器的漏磁对周边电路造成干扰，可以采用屏蔽带来屏蔽高频变压器的漏磁场。屏蔽带通常由铜箔制成，并进行接地处理。此外，还可以通过使用环氧树脂或玻璃珠胶合剂来固定磁芯，减少高频变压器在工作过程中产生的噪音。 通过对以上知识点的学习，我们可以了解到开关电源EMI设计的关键要素及其解决方案，这对于提高开关电源的性能和可靠性具有重要意义。

开关电源是现代电子设备中不可或缺的一部分，它负责将交流电压转换为直流电压，并保证电压的稳定性。然而，在开关电源工作过程中，由于高速开关动作以及整流、滤波等环节，会产生电磁干扰（EMI），这些干扰可能会对电子设备的正常工作造成影响。本文将详细分享关于开关电源EMI设计方面的经验，包括EMI干扰源、干扰传输通道、EMI抑制措施以及高频变压器的设计和屏蔽。 开关电源EMI的主要干扰源包括功率开关管、整流二极管和高频变压器。功率开关管在开关动作中产生很大的dv/dt和di/dt，即电压和电流的变化率，这些快速的变化是电磁干扰的主要来源。整流二极管的反向恢复特性也会产生EMI，特别是在高频工作情况下，反向恢复电流的断续会产生很高的电压变化率，从而产生强电磁干扰。高频变压器由于漏感问题，当功率开关管关断时会产生尖峰电压，这也是EMI的一个来源。而PCB设计对于抑制这些干扰源至关重要，因为PCB是干扰信号的耦合通道，其设计的优劣直接影响EMI的抑制效果。 开关电源EMI的传输通道可以分为传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰包括容性耦合、感性耦合和电阻耦合。容性耦合通常发生在具有一定电容性的元件之间，感性耦合则是由于互感效应，而电阻耦合则涉及到公共阻抗。辐射干扰则是通过空间传播的电磁波，可以将干扰源的元器件和导线假设为天线，分析其辐射特性。没有屏蔽的情况下，电磁波会通过空气传输，而在有屏蔽的情况下，则需要考虑屏蔽体的缝隙和孔洞，用泄漏场的数学模型进行分析处理。 为了抑制EMI，设计中可以采取九种主要措施：第一，减小dv/dt和di/dt，降低它们的峰值并减缓变化斜率；第二，合理应用压敏电阻来降低浪涌电压；第三，采用阻尼网络抑制过冲；第四，使用具有软恢复特性的二极管，以降低高频段的EMI；第五，采用有源功率因数校正以及其他谐波校正技术；第六，设计合理的电源线滤波器；第七，进行合理的接地处理；第八，采取有效的屏蔽措施；第九，进行合理的PCB设计。通过这些措施，可以有效地减少开关电源对外界和自身产生的电磁干扰。 高频变压器的设计同样对抑制EMI至关重要。控制高频变压器的漏感是解决其EMI问题的首要任务。控制漏感的措施包括选择合适的磁芯以降低漏感，减小绕组间的绝缘层厚度，并且提高绕组之间的耦合度。在高频变压器的屏蔽方面，可以使用铜箔制成的屏蔽带，将其绕在变压器外部并接地，这样可以抑制漏磁场的泄漏。为了防止由于高频变压器磁心相对位移而产生的噪声，可以使用环氧树脂或“玻璃珠”胶合剂对磁心进行加固。 开关电源的设计中需要对EMI问题给予高度重视，通过合理的设计和选择适当的元件，可以有效地抑制EMI。这些知识和经验将有助于设计出既高效又符合EMC标准的开关电源。

开关电源是一种常见的电力转换设备，广泛应用于电子设备中。然而，开关电源在工作过程中会产生电磁干扰（EMI），这会影响同一电源系统内其他设备的正常工作，同时也会影响周边的电子设备。因此，对开关电源进行EMI设计至关重要。 开关电源的EMI干扰源主要包括功率开关管、整流二极管、高频变压器等关键元件。这些元件在开关动作时会产生高dv/dt和di/dt，导致电场和磁场耦合，进而产生干扰。功率开关管在On-Off快速循环转换时产生显著的电压和电流变化，是电磁干扰的主要源头。高频变压器由于漏感效应，其快速变化的di/dt也是一个重要的干扰源。整流二极管的反向恢复特性会导致电路中的电感在电流断续点产生高dv/dt，从而产生电磁干扰。PCB作为元器件安装的基础，其布线和布局直接影响EMI干扰的强度和传导路径。 开关电源的EMI传输通道可以分为传导干扰和辐射干扰。传导干扰包括容性耦合、感性耦合和电阻耦合。其中，电阻耦合可以通过公共电源内阻、公共地线阻抗、公共线路阻抗来传导。辐射干扰则是由于开关电源中的元器件和导线可以假设为天线，按电偶极子和磁偶极子理论进行分析。没有屏蔽体时，电磁波通过空气传播；有屏蔽体时，需要考虑屏蔽体的缝隙和孔洞，并采用泄漏场的数学模型进行分析。 为了抑制EMI，可以采取以下措施：（1）减小dv/dt和di/dt，即降低其峰值和减缓变化斜率；（2）合理使用压敏电阻，以降低浪涌电压；（3）利用阻尼网络抑制电压过冲；（4）采用具有软恢复特性的二极管，减少高频段的EMI；（5）采用有源功率因数校正和其他谐波校正技术；（6）设计合理的电源线滤波器；（7）合理进行接地处理；（8）采取有效的屏蔽措施；（9）进行合理的PCB设计。 高频变压器的漏感是导致EMI的一个重要因素，因此需要控制漏感。控制措施包括：（1）选择合适的磁芯以降低漏感；（2）减小绕组间绝缘层厚度；（3）提高绕组间的耦合度。此外，使用屏蔽带屏蔽高频变压器的漏磁场，以抑制漏磁干扰；采用加固措施防止变压器在工作中的位移导致的噪声。 在PCB设计方面，应当注意合理布局，以减少EMI源的影响。布线应尽量短而粗，远离高阻抗区域，减少环路面积，避免高速信号的边沿过于陡峭，以减少高频噪声的产生。同时，通过合理布局和设计，可以减少线路间的串扰和耦合。 值得注意的是，尽管采取了各种EMI抑制措施，但由于电磁环境日益复杂，EMI问题仍旧是开关电源设计中不可忽视的一环。在设计时，应持续关注最新的EMC标准和测试方法，确保产品设计满足最新要求，并能够适应未来更严格的电磁兼容性要求。

### 电源技术——开关电源EMI的设计经验 #### 一、开关电源EMI源解析 开关电源中的EMI（电磁干扰）源主要包括功率开关管、整流二极管、高频变压器等内部组件，以及电网波动、雷击和外界辐射等外部因素。 1. **功率开关管**：工作在快速开关状态下的功率开关管会产生剧烈变化的电压和电流（dv/dt和di/dt），这使其成为EMI的主要来源之一。这些变化会产生电场和磁场耦合，导致EMI问题。 2. **高频变压器**：高频变压器由于其漏感的存在，在开关过程中会产生快速变化的电流（di/dt），进而产生磁场耦合，是EMI的另一个重要来源。 3. **整流二极管**：整流二极管在反向恢复过程中产生的电流断续点会在引线电感和其他杂散电感中产生高dv/dt，引发强烈的EMI。 4. **PCB（印制电路板）**：PCB作为上述EMI源之间的耦合通道，其设计质量直接影响到EMI的抑制效果。 #### 二、开关电源EMI传输通道分类 1. **传导干扰的传输通道** - 容性耦合：通过电容性连接在不同电路之间传递干扰信号。 - 感性耦合：通过互感作用在邻近导体之间传输干扰。 - 电阻耦合：包括： - 公共电源内阻产生的电阻传导耦合； - 公共地线阻抗产生的电阻传导耦合； - 公共线路阻抗产生的电阻传导耦合。 2. **辐射干扰的传输通道** - 在开关电源中，元件如二极管、电容和功率开关管可以视为电偶极子，而电感线圈则可以看作磁偶极子，它们都可以作为辐射干扰源。 - 当不存在屏蔽体时，这些偶极子产生的电磁波将通过空气（自由空间）传播。 - 存在屏蔽体的情况下，则需考虑屏蔽体的缝隙和孔洞对电磁波的泄漏效应。 #### 三、开关电源EMI抑制措施 针对开关电源的EMI问题，可以从以下几个方面入手： 1. **减小dv/dt和di/dt**：通过软开关技术等方法来降低电压和电流的突变率，减少EMI的产生。 2. **压敏电阻的应用**：合理配置压敏电阻可以有效降低浪涌电压，减少EMI的影响。 3. **阻尼网络**：利用阻尼网络抑制电压或电流的过冲现象，减少EMI。 4. **采用软恢复特性的二极管**：这类二极管可以降低高频段EMI，改善电源性能。 5. **有源功率因数校正**：采用APFC技术不仅可以改善功率因数，还能减少谐波干扰，降低EMI。 6. **电源线滤波器的设计**：精心设计的电源线滤波器能够有效抑制传导干扰。 7. **合理的接地处理**：良好的接地系统可以减少EMI，提高系统的稳定性。 8. **有效的屏蔽措施**：利用金属屏蔽壳或屏蔽带减少辐射干扰的扩散。 9. **合理的PCB设计**：优化PCB布局，减少信号线之间的耦合，降低EMI。 #### 四、高频变压器漏感控制 1. **选择合适的磁芯**：选择低漏感的磁芯材料可以显著降低漏感。 2. **减小绕组间的绝缘层**：“黄金薄膜”等新型绝缘材料不仅减少了绝缘层厚度，还提高了绝缘性能。 3. **增加绕组间耦合度**：通过改进绕组设计来增强绕组间的磁通耦合，减少漏感。 #### 五、高频变压器的屏蔽与降噪 1. **使用屏蔽带**：在变压器外部绕上铜箔制成的屏蔽带并进行接地，可以有效抑制漏磁场。 2. **加固措施**：使用环氧树脂或“玻璃珠”胶合剂固定磁心，减少磁心间的相对位移，降低工作过程中的噪声。 通过上述方法，可以在设计阶段有效地控制开关电源中的EMI问题，提高电源的整体性能和可靠性。

在开关电源设计中，EMI（电磁干扰）是影响电源性能和电磁兼容性（EMC）的关键因素。EMI干扰源主要来自于开关电源内部的功率开关管、整流二极管和高频变压器等元器件。这些元器件在高速切换时会产生高dv/dt和di/dt，即电压和电流的快速变化，从而导致电磁干扰。外部环境中的电网抖动、雷击和外界辐射也会对开关电源产生干扰。为了设计出符合EMC标准的开关电源，以下是一些重要的设计经验和知识点。 开关电源的EMI源包括功率开关管、整流二极管和高频变压器。功率开关管在开启和关闭的过程中，其电压和电流变化率（dv/dt和di/dt）非常高，因此它既是电场耦合也是磁场耦合的主要干扰源。高频变压器的漏感在磁芯关闭时会产生快速的电流变化，从而成为磁场耦合的重要干扰源。整流二极管的反向恢复特性会产生较高的电压变化率，导致电磁干扰。此外，PCB板设计也极其关键，因为它充当了上述干扰源之间的耦合通道。良好的PCB设计能够有效抑制EMI。 在开关电源EMI传输通道方面，可以将其分为传导干扰和辐射干扰。传导干扰的传输通道主要包括电源内阻、公共地线和公共线路阻抗所引起的电阻传导耦合。辐射干扰的传输通道则涉及到把元器件和导线假设成天线，利用电偶极子和磁偶极子理论进行分析。在没有屏蔽体的情况下，电磁波的传输通道是空气，而在有屏蔽体的情况下，则需考虑屏蔽体的缝隙和孔洞。 为了抑制EMI，可以采取以下几大措施：减小dv/dt和di/dt以降低干扰峰值和斜率；合理应用压敏电阻以降低浪涌电压；使用阻尼网络抑制过冲；采用具有软恢复特性的二极管降低高频段的EMI；实施有源功率因数校正和其他谐波校正技术；设计合理的电源线滤波器；进行合理的接地处理；采取有效的屏蔽措施；以及执行合理的PCB设计。 对于高频变压器而言，控制漏感是解决EMI问题的重要手段。这可以通过在电气设计和工艺设计上选择合适的磁芯和减小绕组间的绝缘层厚度来实现。同时，增加绕组间的耦合度也有助于减小漏感。此外，为了防止漏磁对周围电路的干扰，可以采用铜箔屏蔽带绕在变压器外部并接地。对于高频变压器的噪声（如啸叫、振动）问题，可以通过用环氧树脂粘接磁心或使用“玻璃珠”胶合剂来加固磁心，抑制相对位移的产生，从而减少噪声。 在开关电源设计中，必须通过优化元器件选择、布局、PCB设计、滤波和屏蔽技术等方法来有效控制EMI，确保电源的稳定性和可靠性，满足电磁兼容性要求。

电源Simplis开关电源及电路仿真案例。 单 多相控制buck仿真电路。 4 8 phase COT D-CAP+ 架构仿真模型， 1-8phase PWM buck仿真模型， 峰值电流模式，D-CAP3模式等，仅供学习，参数可调，可二次开发。 支持Loadline，ZCD，TLVR，softstart等。 电源Simplis开关电源及电路仿真案例详细解析 在现代电子设备中，开关电源技术是维持设备稳定运行的关键之一。开关电源通过快速切换电路的开启和关闭状态，实现对电压的转换和调节。随着技术的发展，开关电源设计和仿真技术也日益成熟，为工程师提供了精确模拟电源性能的工具。本文档介绍的Simplis开关电源及电路仿真案例，涵盖了一系列先进的电源仿真技术和模型，具体包括单相与多相控制的buck仿真电路，以及4到8相的COT（Constant On-Time，固定导通时间）控制模式下的D-CAP+架构仿真模型。 buck转换器是一种常用的开关电源转换器，其工作原理是通过调整开关元件的导通时间来降低输入电压，并输出稳定的直流电压。在这个仿真案例中，我们不仅可以模拟单相buck电路，还能进行多相控制仿真。多相控制能够更有效地管理电流和热量，提高电源转换效率，尤其适用于高功率需求的场合。 接下来，我们来探讨COT控制模式下的D-CAP+架构。COT控制是一种开关电源的控制策略，它通过固定开关的导通时间来控制输出电压。D-CAP+架构则是COT控制模式下的一种衍生，它不仅能够提供快速的负载响应，还能保持良好的稳定性和低噪声特性。4到8相的架构仿真模型能够模拟在多种负载条件下电源的行为，这对于电源系统的设计和优化至关重要。 此外，案例中还提到了1-8相PWM buck仿真模型。PWM（脉冲宽度调制）是一种通过改变开关元件脉冲宽度来控制输出电压的技术。通过调整PWM信号的占空比，可以实现对电源输出电压的精细控制。而多相PWM buck模型可以进一步提升电源的性能，尤其在高电流应用中效果显著。 本案例中还特别强调了峰值电流模式和D-CAP3模式的仿真。峰值电流模式控制是一种电流模式控制方式，它通过监测开关元件的峰值电流来控制开关的导通时间，这种模式下电源系统响应快，稳定性高。D-CAP3模式则是最新的一种控制模式，它在D-CAP+基础上进一步优化，提供了更好的性能。 除了上述的技术点，案例还提到支持多种高级功能，例如Loadline（负载线）、ZCD（零电流检测）、TLVR（温度变化率）和softstart（软启动）。这些功能的加入，不仅使电源设计更加灵活，还大大提高了电源的适应性和可靠性。例如，softstart功能可以减少启动时电流冲击，保护电源不受损害；Loadline功能可以优化电压响应，保持在负载变动时的稳定输出。 电源Simplis开关电源及电路仿真案例提供了一个深入学习和实践先进电源控制策略和技术的平台。该平台不仅包含了多种控制模式和架构的仿真模型，还允许用户调整各种参数，进行二次开发，以满足不同设计需求。这些仿真模型和功能的集合，无疑为电源工程师提供了一套全面的分析和设计工具，从而能够更加高效地完成高质量电源设计。

### 反激式开关电源变压器的设计 #### 一、引言 反激式开关电源作为电子设备中的核心部件之一，其性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。其中，反激式变压器的设计尤为关键，它不仅决定了电源的工作模式，还影响着整体的效率与可靠性。本文将详细介绍如何设计一款适用于宽电压输入范围（85V~265V）、输出5V/2A、开关频率为100kHz的反激式开关电源变压器。 #### 二、设计步骤详解 ##### 1. 确定原边感应电压(V_OR) 原边感应电压是设计过程中需要首先确定的关键参数之一。该值直接影响着电源的占空比(D)，进而影响整个电源的性能指标。在本例中，选择原边感应电压为80V，输入电压VS为90V，则可以通过下式计算出最大占空比D： \[ D = \frac{V_{OR}}{V_{OR} + V_S} = \frac{80}{80 + 90} = 0.47 \] ##### 2. 确定原边电流波形的参数 原边电流波形包括平均电流(I)、有效值电流(I_rms)和峰值电流(I_p)三个参数。 - **计算平均电流**：根据输出功率(P_O)和效率(η)以及输入电压(V_S)，可以得到平均电流I的计算公式： \[ I = \frac{P_O}{\eta \cdot V_S} \] 对于本案例，假设输出功率为10W，效率η为0.8，则： \[ I = \frac{10W}{0.8 \times 90V} = 0.1389A \] - **计算峰值电流**：引入最大脉动电流比K_RP，它是最大脉动电流(ΔI_M)与峰值电流(I_P)的比值。K_RP的取值范围通常在0到1之间。在此案例中设定K_RP=0.6，通过解方程可以得到峰值电流的计算公式： \[ I_P = \frac{I}{(1 - 0.5K_{RP})D} \] 带入已知数值： \[ I_P = \frac{0.1389A}{(1 - 0.5 \times 0.6) \times 0.47} = 0.419A \] - **计算有效值电流**：电流的有效值I_rms与峰值电流、占空比D及K_RP有关，具体公式为： \[ I_{rms} = I_P \sqrt{\left(1 - \frac{3}{4}K_{RP}\right) + \frac{1}{3}K_{RP}^2D} \] 带入已知数值： \[ I_{rms} = 0.419A \sqrt{\left(1 - \frac{3}{4} \times 0.6\right) + \frac{1}{3} \times 0.6^2 \times 0.47} \approx 0.20A \] #### 三、磁芯选择与绕组设计 在确定了基本参数之后，接下来需要选择合适的磁芯材料和尺寸，并进行绕组设计。 - **磁芯选择**：考虑到工作频率为100kHz，可以选择高频铁氧体材料作为磁芯。常见的铁氧体材料有锰锌(MnZn)和镍锌(NiZn)等。对于100kHz的工作频率，MnZn磁芯是较为合适的选择。 - **绕组设计**：绕组的设计涉及到初级绕组和次级绕组的匝数计算。初级绕组匝数N₁可根据下列公式计算： \[ N_1 = \frac{V_{OR}}{f_{SW} \cdot B_{max} \cdot A_e} \] 其中，f_SW为开关频率，B_max为磁芯最大磁通密度，A_e为磁芯有效截面积。 - 次级绕组匝数N₂可以根据电压比计算得出： \[ N_2 = N_1 \cdot \frac{V_{out}}{V_{OR}} \] #### 四、损耗分析与优化 设计过程中还需考虑变压器的损耗问题，主要包括铜损和铁损。 - **铜损**：主要由导线的电阻引起。可以通过增加导线截面积或采用多股并联的方式减小电阻，从而降低铜损。 - **铁损**：由磁滞损耗和涡流损耗组成。选择低损耗的磁芯材料可以有效减少铁损。 #### 五、总结 通过对反激式开关电源变压器的设计方法的介绍，我们可以看出，合理的设计能够显著提升电源的整体性能。从选择合适的原边感应电压，到精确计算原边电流的各个参数，再到磁芯和绕组的设计，每一个步骤都至关重要。此外，损耗分析与优化也是设计过程中不可忽视的一环。只有综合考虑这些因素，才能确保所设计的反激式开关电源变压器既高效又可靠。

反激式开关电源变压器设计原理是电力电子技术中的一种重要概念，主要应用于电源转换领域。这种类型的转换器因其独特的能量传递方式而得名，即在开关元件断开时，通过变压器向输出端释放能量。反激式转换器具有多个显著的特点： 优点： 1. 电路结构简洁，可以高效地提供多路直流输出，适用于需要多种电压等级的系统。 2. 转换效率较高，损耗相对较小，这使得它在节能方面具有优势。 3. 变压器的匝数比相对较小，降低了设计和制造的复杂性。 4. 具有良好的输入电压适应性，即使输入电压在85V至265V的宽范围内波动，也能保持稳定的输出。 缺点： 1. 输出电压中存在较大的纹波，负载调整精度不高，限制了其输出功率，通常适用于150W以下的应用。 2. 在电流连续模式（CCM）下工作时，变压器可能因直流分量导致磁芯饱和，需要在磁路中设置气隙，增加了变压器的体积。 3. 变压器设计较为复杂，需要处理CCM和DCM两种工作模式，设计过程中需要多次调整。 反激式转换器的工作原理基于电磁感应原理。当开关管Tr导通时，变压器初级绕组Np存储能量；开关管关闭后，变压器通过反向电势使二极管D导通，将能量传递给负载。工作状态分为电感电流不连续模式（DCM）和电感电流连续模式（CCM）。在DCM中，每个开关周期的能量全部转移到输出；而在CCM中，部分能量会在连续的开关周期间传递。 设计反激式转换器时，需要考虑的关键参数包括占空比Dmax、变压器的匝数比n、输入电压VIN、输出功率Po、转换频率f和转换器效率η。最大集电极电压Vcemax与占空比Dmax成反比，而原边峰值电流Ip与输出功率、效率、占空比和输入电压有关。设计时需要平衡这些参数，确保开关晶体管的耐压和最大集电极电流满足要求，同时优化转换器的性能和成本。 在实际应用中，反激式转换器的性能不仅受工作模式的影响，还受到输入电压变化和负载电流变化的影响。设计时需要考虑这些因素，确保转换器在各种工作条件下都能稳定运行。此外，为了减少输出电压的纹波和提高负载调整率，通常需要配合滤波电路来改善输出质量。总体来说，反激式开关电源变压器设计是一个涉及多方面因素的综合性工程问题，需要对电力电子、磁路理论和控制策略有深入理解。

### 反激开关电源与变压器设计相关知识点 #### 第一讲：反激开关电源基本原理和电路拓扑 ##### 1. 小功率AC/DC高频开关电源拓扑 小功率AC/DC高频开关电源主要应用于低功率需求的场景，如手机充电器、小型电子产品供电等。这类电源的核心是反激式转换器(Flyback Converter)，它是一种单端变换器，通过一个开关管和一个变压器来实现能量的存储和释放。 **反激电源的工作原理**： - **开通阶段**：当开关管Q1被驱动导通时，初级线圈Np开始存储能量，即电源通过开关管向变压器初级线圈充电。 - **关断阶段**：当Q1被驱动关断时，存储在Np中的能量转移到次级线圈Ns，并通过次级整流二极管D1输出到负载。此过程实现了能量的转换和隔离。 **反激电源的特点**： - **结构简单**：只需要较少的元器件即可实现。 - **成本低廉**：适用于小功率应用场合。 - **宽输入电压范围**：可以适应不同的输入电压。 - **易于实现隔离**：通过变压器实现电气隔离，提高安全性。 ##### 2. 反激型AC/DC开关电源的基本工作原理 反激型AC/DC开关电源通过控制开关管的导通与关断，使能量在初级线圈中存储，然后在次级线圈中释放，从而实现电压转换。其工作模式分为两种：电流连续模式(CCM)和电流不连续模式(DCM)。在CCM模式下，初级线圈中的电流始终为连续；而在DCM模式下，电流会在某个时间点降为零。 **典型控制IC及其设计注意事项**： - **固定频率控制IC**：采用固定频率控制的IC能够提供稳定的开关频率，有利于简化设计和降低EMI问题。例如，Onsemi提供的控制IC能够在不同负载条件下保持恒定的开关频率。 - **准谐振控制IC**：准谐振控制技术可以在一定程度上减少开关损耗，提高效率。在轻载或空载情况下，这种控制方式可以实现零电压开关(ZVS)，进一步提高效率。Onsemi的准谐振控制IC通常会根据负载情况自动调整工作模式，在重载时采用固定频率控制，在轻载时切换为准谐振控制。 #### 第二讲：反激电源变压器的设计计算 变压器是反激电源的关键部件之一，其设计直接影响到电源的性能和可靠性。 **磁性材料选择**：常见的磁性材料包括铁氧体、硅钢片等。选择合适的磁性材料对于提高变压器效率和减小体积非常重要。 **设计计算方法**： - **CCM模式下的设计**：在CCM模式下，需要考虑初级线圈和次级线圈之间的耦合程度，以及如何优化电流波形，以减少损耗。 - **DCM模式下的设计**：DCM模式通常用于较轻的负载条件，设计时需要特别注意开关周期内的电流变化，以避免过大的峰值电流导致的损耗增加。 - **CRM模式下的设计**：CRM模式结合了CCM和DCM的优点，可以在不同的负载条件下实现高效运行。 **设计计算实例**：在实际设计过程中，工程师需要综合考虑各种因素，比如工作频率、输入电压范围、最大输出功率等，通过计算确定变压器的具体参数，如线圈匝数、磁芯尺寸等。 #### 第三讲：反激电源变压器设计软件应用说明 针对反激电源变压器的设计，市场上有许多专门的软件工具可以辅助完成设计工作。 **Flyback Transformer Wizard V1.0**： - **功能介绍**：该软件支持用户快速估算变压器参数，包括线圈匝数、磁芯尺寸等，同时还可以进行EMI预估和热分析。 - **使用方法**：用户只需输入几个关键参数，如输入电压范围、输出功率等，软件即可自动生成变压器设计方案。 **设计实例**：通过具体的设计案例，学习如何利用该软件完成变压器的设计，以及如何评估设计方案的优劣。 #### 第四讲：变压器绕线工艺及设计书的作成 变压器的绕线工艺对产品的性能有着直接的影响。 **绕线及安规**：正确的绕线顺序和方法可以有效降低漏感，提高效率。同时，还需要考虑到相关的安全标准，确保产品符合要求。 **设计文件的项目定义与作成**：设计文件应包含详细的参数、图纸、绕线工艺说明等内容，以便于生产制造过程中准确无误地执行。 通过以上内容的学习，可以全面了解反激开关电源与变压器设计的相关知识点，有助于提升设计能力和解决实际问题的能力。