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硬件的最后一个堡垒是“电源”

硬件的最后一个堡垒是“电源”。这个论断是我的好友、我身边的硬件大师Peter帮我得出。这位浙江大学的天材生,和我同龄人,2001年研究生毕业后就一直在通信相关行业做硬件。他的结论是,过去的10多年里,嵌入式类硬件越来越简单,模拟电路相关的复杂的活都被芯片集成了,工程师耐心地对着 Application notes布好线就行了。 当然,随着高速信号越来越高,干扰问题其实越来越难解决,嵌入式硬件应该没他说的那么简单:-)  高手搞通了之后觉得啥都简单。


上面说的“电源”,在同行心中是指AC/DC电源。AC/DC技术领域可以理解为包括了DC/DC。AC/DC是PFC+DC/DC。DC/AC电源的研究,软件大于硬件。DC/AC多是“大家伙”,硬件创新很少。小功率的双向电源是今年各家发力的重点。


电源,人们常说,三分电七分磁。我们对初级工程师的理论训练,从二极管/电容到三极管/采样电路,MOS管/驱动电路,最后到磁性器件/拓朴。我们曾经集中优势兵力,连续8周,每周一晚上不同的人讲解磁性器件设计,最终的成果应该能超越当前所有教科书上的那些。


当然,电源的最高境界是EMC和结构设计。对于一个勤奋而且有悟性的电源工程师来说, 胜任EMC和结构设计,至少8年以上了。


Fred Lee就是研究电源而蛮声世界的,中国和美国双院士。他领导的VPEC俨然成为一座灯塔(假以时日,下一座灯塔应该出现在中国)。我的恩师阮大师在技术上傲视群雄,唯有对Fred Lee还是很尊崇的。最近有幸近距离聆听了Fred Lee的演讲。这位73岁的老先生,比任正非小2岁,看上去还很年轻。他迷上了GaN。Fred Lee在演讲的最后说,“我的热情是什么呢?我不是说我要改进它的性能,也不是要提升他的功率密度,我是说我要做别人以前做不到的,提高他的电磁兼容。更重要的一件事,以前一直想做的是生产能力,把这些东西都变成生产自动化,不要人工。 我觉得这件事情才是一件大事,如果用宽禁带做这个工作,能够整个改变设计生产的模式,我认为是对我们电力电子是一个很大的贡献。”





我一直有一种预感,GaN成熟之后,电源这个硬件堡垒就被攻破了。大功率的电源模块化都很容易实现了。磁性器件成了另外概念。但是,现在,当下,电源工程师必须掌握透彻磁性器件的设计,才算对电源入门。


今天周强君奉献的的变压器文章,是他对变压器学习和设计心得的精华提炼。推荐指数5个星。欢迎电源工程师们转发和收藏,欢迎切磋。


                                                   ——   汪进进




在开关电源进行能量转换过程中,绕不开磁芯器件——变压器和电感。变压器和电感的设计也往往是开关电源设计中的难点。按照我的理解,变压器的设计包括两部分。第一部分是主要参数的设计,主要包括:选择磁芯、匝比、匝数、感量、漏感、气隙这些。这一部分也相对比较简单一些。第二部分主要包括磁集成设计、寄生参数设计、高频效应与损耗,这一部分理解起来就比较困难。这篇文章试图结合自己的理解对变压器的主要参数设计总结一下。


1)变压器电感中的电和磁


2)选择磁芯


3)匝比匝数


4)设计感量与气隙


5)设计漏感


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 变压器电感中的电和磁


磁场是由电流产生的,有电流流过的地方就会产生磁场。磁铁中的物理磁场也是由材料中原子内电子旋转形成的。磁场看不见摸不着,常用磁场线来描述它。磁场线一定是一个闭合回路,无论走多远总会回到起点。



图1  直流电流组成的空心线管形成的磁场及曲线


这里直接给出几个公式:


磁场强度:



(N为匝数,i为导线电流,l为导线组成一匝回路长度)


磁感应强度:



(μ为磁导率)


单匝导线回路面积走过的磁通:



(A为导线回路的面积)


磁场强度H反映的是产生磁场的电流本身的特性,与电流大小,长度,闭合回路有关。磁感应强度B,除了与H有关(也就是电流本身特性),还与电流产生的磁场所在的环境有关,也就是导磁材料(磁导率μ)有关。如果电流导体绕在在例如铁磁芯上,产生的磁感应强度就比在空气中大很多。当然产生的磁场强度是一样的。上面提到的磁场线,描述的就是磁感应强度,而不是磁场强度。单位面积垂直走过的磁场线为磁通密度也叫磁感应强度。


1)电感与自感系数L


对于电感而言其自感系数L的定义为:


即单位电流产生的总磁链。那么看一看我们最常见的几种电感:棒型电感、粉芯环形电感、铁芯电感、铁芯带气隙电感。 


图2  棒型电感、粉芯环形电感、铁芯电感、铁芯带气隙电感


按照经验我们知道,相同匝数和截面积Ae下,一般棒形电感感量最小,铁芯电感感量最大,粉芯电感感量小于铁芯电感,而带气隙的铁芯电感感量取决于气隙有多大。


自感系数为单位电流产生的N匝线圈的总磁链。对于棒形电感,其总磁链并不等于单匝截面积Ae所经过磁通Φ的N倍,因为它的磁芯没有形成完整的回路,经过每一匝截面积的磁力线并没有全部经过其他匝,因此总磁链会大打折扣。完整的环形导磁回路,会将磁力线回路约束在导磁材料(磁芯)内部,每匝之间的磁通耦合度就可以足够高。相同道理,带气隙的铁芯电感,因为有了气隙,在气隙出会产生漏磁通,感量会减小。


对于粉芯电感,由铁磁粉末的加入了磁导率很低的粘合剂组成,相当于加入了均匀的气隙,磁芯的磁导率因此下降,单位截面积磁通也下降了,电感量下降。


2)磁生电


法拉第定律:变化的电流会产生变化的磁通,变化的磁通又会在此磁场中的导线产生感应电动势(电压),其方向与电流变化的方向相反,阻止电流变化。


感生电势满足:


-----------式1


图3  电流变化产生的感应电势方向


电流变大的过程,在储存电能为磁场能量,电感或变压器充当负载的功能(存储或消耗能量)。电流变小的过程,存储的磁场能量释放为电能,电感或变压器充当源的功能。


那么几种常见的不同的电流形式,对应的磁场能量的形式有什么对应关系(磁场能量形式可以用BH曲线来表示)。什么时候会磁饱和,持续不变的直流电流是磁饱和吗?



图4  磁芯磁滞曲线


磁芯的磁滞曲线如上图所示,如果给电感通恒定不变的电流,那么其会产生相应不变的磁场感应强度,但不会产生感应电势,不继续储存磁能。


如果给电感外加电压,电感电流持续增大,那么磁感应强度B会持续增大,不断储存磁能。直到磁感应强度B到达Bs最大值,此时磁场强度H仍然随电流增大而增加,单磁感应强度保持Bs几乎不变。没有了变化的磁通,也不再产生感应电势,不继续储存磁能,那么此时外加电压相当于被短路。这种状态称为磁饱和。


对于变化的直流电流产生单向励磁,对于变化的交流电流,产生双向励磁。双向励磁曲线就如同图4所示。那么对于直流电流下的励磁曲线是怎样的,比如常见的Buck、Boost电感。


 
 
 
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