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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:


 
 
 
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