开关电源设计与优化技巧

在许多工程应用场合需要通过在开关变换器中嵌入一个变压器，将变换器的输入和输出进行隔离。例如，监管机构要求离线应用场所（变换器的输入连接到交流公用事业系统）必须进行隔离。在这些情况下，隔离可以通过在变换器的交流输入连接一个50Hz或60Hz的变压器来实现。然而，因为变压器的体积和质量与频率成反比，如果变换器的开关频率可以达到几十或几百千赫，变压器的体积将减小许多。此类电路就是通称的开关电源。

当需要大的升压或降压转换时，变压器的使用可以更好地优化变换器。通过正确选择变压器的匝比，施加在开关管和二极管上的电压或电流应力可以最小化，从而提高效率和降低成本。

通过添加多个次级绕组和变换器的次级侧电路，可以廉价地获得多路直流输出。通过次级匝数比的选择，获得所需的输出电压。因为变换器的输出电压通常只有一路是占空比调制的，所以对于辅助输出电压而言，稍微大些的误差是允许的。因为主输出电压是完全调节的，所以交叉调节是针对辅助输出电压变化的措施。图7-1（a）是匝比为n1 : n2 :n3的多绕组变压器。图7-1（b）其简化等效电路，这个简化电路用来理解大多数变压器隔离的变换器的运行是足够的。这个模型说明了绕组间的耦合，并且忽略了漏感。在以下章节中，将对更精确的等效电路进行讨论。理想的变压器服从以下关系：

图7-1 多绕组变压器的简化模型

在图7-1（b）中，变压器初级有一个与理想变压器并联的电感LM，这个电感叫作励磁电感。

实际上变压器必须包括励磁电感。假设断开初级绕组以外的所有绕组，然后留单一的绕组在磁芯上，这个绕组实际上是一个电感器。图7-1（b）的等效电路通过励磁电感预测了这种现象。

在变压器铁心里，励磁电流iM(t)与磁场H(t)成正比。变压器铁心材料的物理B-H特性，控制着励磁电流，如图7-2所示。例如，如果励磁电流iM(t)太大，那么磁场强度H(t)的幅值将造成磁心饱和。然后励磁电感值变得很小，明显使变压器短路。

图7-2 变压器磁芯的B-H特性曲线(www.xing528.com)

励磁电感的存在解释了为什么变压器不能工作在直流电路：在直流电路中，励磁电感具有零阻抗，使绕组短路。在一个精心设计的变压器中，励磁电感在工作频率范围内的阻抗值比较大，励磁电流iM(t)比i1(t)的幅值要小很多。因此，t)≈i1(t)，此变压器近似等于一个理想变压器。应该强调的是，励磁电流iM(t)和初级绕组电流i1(t)是相互独立的量。

励磁电感必须遵守所有的电感的基本规则。在图7-1（b）的模型中，初级绕组电压v1(t)加在LM上，因此

综上可得

因此，励磁电流是由所施加的绕组电压的积分确定的。电感的第二电压平衡原则也指出：当变换器工作在稳定状态下，励磁电感的直流电压分量必须为零，即

因为励磁电流正比于绕组电压的积分，所以该电压的直流分量为零是重要的。否则，在每个开关周期将有励磁电流的净增加，最终导致过大的电流和变压器的饱和。

含有变压器的变换器的工作原理可以理解为：在变换器的变压器位置嵌入图7-1（b）中的模型。如同之前的章节，把励磁电感作变换器中其他普通的电感一样对待，然后继续分析。

实际的变压器包含漏感，漏感磁通只连接了产生磁通的绕组而不连接变压器的其他绕组。在两个绕组的变压器中，这个现象可以等效为小电感与绕组串联。在大多数的隔离变换器中，漏感是不理想的，它造成了开关损耗，增加了开关管的电压峰值，并且降低了交叉调节。不过漏感对变换器的基本原理没有影响。

有几种将变压器隔离应用到直流-直流变换器的方法。经常用到的降压型隔离变换器有全桥电路，半桥电路，正激电路以及推挽电路。类似地，升压型隔离变换器也同样会采用变压器进行隔离。反激变换器是一种隔离的升降压变换器。以下章节将对这些变换器以及Sepic和Cúk的隔离变换器进行讨论。