今天我們來討論下電源電路中磁性元件的損耗。

　　電源中的磁性元件一般就是指電感與變壓器，這里我們這種討論初次級隔離的變壓器，因為這種變壓器在開關電源中應用最為廣泛。

　　變壓器的作用大致是提供初次級的電氣隔離，使輸出電壓或升或降，傳送能量;變壓器設計的好壞直接關系到整個電源系統的安規，EMC，效率，溫升，輸出的電氣性能參數，壽命，可靠性，甚至會導致系統的崩潰。

　　升壓的做過，但經驗不多，說說個人的理解，不一定對，權作參考與討論之用。

　　升壓變壓器的難點，樓上已經指出來了，因為繞組的圈數太多，漏感與分布電容很難兩全其美;這個時候我覺得應該從以下幾個方面著手：

　　1、在選擇變壓器的時候，如果結構尺寸允許的話，我們盡量選擇高長型(立式)或窄長(臥式)型的，因為這種變壓器單層繞線圈數多，可以有效降低繞線的層數，增加初次級的耦合，減小層間電容。

　　2、優化繞線順序，使初次級能增減耦合面積;曾經用過這種繞法：1/3次級--1/2初級--1/3次級--1/2初級--1/3次級，結果表明此種繞法漏感可以小很多。

　　當然這種變壓器繞制工藝稍顯復雜，成本稍高，但還是可以接受。

　　3、層間電容大家都知道，每層之間加黃膠帶，便可減少層間電容。

　　當然這些措施都是在考慮安規與EMC的情況下，做出的改進;對于升壓電源，漏感與層間電容如果處理不好很容易引起振蕩，使電源的EMC不好過，效率不高，有時會莫名其妙的炸MOS管(我實際碰到過的情況)。

　　我們知道變壓器的損耗分為鐵損與銅損，先來說說鐵損吧。

　　變壓器的鐵損包括三個方面：

　　一是磁滯損耗，當交流電流通過變壓器時，通過變壓器磁芯的磁力線其方向和大小隨之變化，使得磁芯內部分子相互摩擦，放出熱能，從而損耗了一部分電能，這便是磁滯損耗。

　　二是渦流損耗，當變壓器工作時。磁芯中有磁力線穿過，在與磁力線垂直的平面上就會產生感應電流，由于此電流自成閉合回路形成環流，且成旋渦狀，故稱為渦流。渦流的存在使磁芯發熱，消耗能量，這種損耗稱為渦流損耗。

　　三是剩余損耗，在磁芯磁化或反磁化的過程中，磁化狀態并不是隨磁化強度變化而立即變化，有個滯后時間，滯后效應便是引起剩余損耗的原因。

　　從鐵損包含的三個個方面的定義上看，只要控制磁力線的大小便可降低磁滯損耗，減少磁芯與磁力線垂直的面積可以減少渦流損耗。

　　趙老師在《開關電源中磁性元器件》一書中指出：

　　由上面的話可以看出，在磁芯材質與形狀，體積等都確定的情況下，變壓器的鐵損與變壓器的工作頻率以及磁感應強度擺幅deltB成正比。

　　磁滯在低場下可以不予考慮，渦流在低頻下也可忽略，剩下的就是剩余損耗。在磁感應強度較高或工作頻率較高時，各種損耗互相影響難于分開。故在涉及磁損耗大小時，應注明工作頻率f以及對應的Bm值。但在低頻弱場下，可用三者的代數和表示：tanδm= tanδh+tanδf+tanδr。式中tanδh tanδf tanδr分別為：磁滯損耗角正切，渦流損耗角正切，剩余損耗角正切。各種損耗隨頻率的變化關系如圖。

　　由圖可見，剩余損耗和B的大小無關，但隨頻率增大而增大。而磁滯損耗隨B的增加增大，渦流損耗則和頻率成線性變化。了解了這些就可知：在正激和橋式電源中，磁芯損耗著重考慮渦流損耗。在反激變壓器和儲能電感中，既要考慮渦流損耗又要考慮磁滯損耗，尤其是DCM方式工作的電源，磁滯損耗是第一位的。所以可以確定，做電源時第一點就是根據電源的工作頻率選取相應的磁芯材料。

　　下面我們開始來討論下變壓器的銅損。

　　變壓器的銅損即變壓器繞組的損耗，包含直流損耗與交流損耗。

　　直流損耗主要是因為繞變壓器的銅漆包線，對通過它的電流有一定的阻抗(Rdc)而引起的損耗。此電流指的是各個繞組電流波形的有效值。直流損耗跟電流大小的平方成正比。

　　相對來說，交流損耗就復雜得多，包含繞組的趨膚效應，臨近效應引起的損耗，同樣還包括各次諧波引起的損耗。

　　先說直流阻抗，形成原因上面說了。下面我們來分析怎樣減少直流損耗

　　首先，給出直流損耗計算公式：Pdc=(Irms)^2*Rdc

　　由上面的公式可見，對于電流有效值一定的情況下，只要降低繞組的直流等效電阻就可以降低繞組的直流損耗。

　　我們知道繞組的電阻與材質，長度，截面積甚至溫度(關系很小)等有關，那么我們就可以采用如下方法來降低繞組的直流損耗：

　　1、采用電阻率小的導體來繞制變壓器，一般采用銅漆包線，盡量不用銅包鋁漆包線或鋁漆包線

　　2、在變壓器窗口面積允許的情況下，盡量用大一點的等效截面積的漆包線(單根線不要超出穿透深度，后面會分析)

　　3、適當減少繞組的匝數(會增加鐵損)，慎用

　　先來看看集膚效應的定義：

　　集膚效應又叫趨膚效應，是指導體通過交流電流時，在導體截面中，存在邊緣部分電流密度大，中心部分電流密度小的現象。

　　肌膚效應產生的原理比較復雜，簡單的表述為：

　　如上圖，設流過導體的電流為i，方向如圖。根據右手法則， 則要產生m.m.f的磁場，并垂直電流方向，如圖的八個小圓圈就是進入與離開道題的磁力線。根據法拉第電磁感應，磁力線通過導體會產生渦流，方向如圖中8個小圓圈周圍的大圓圈方向所示。

　　由圖可知，渦流的方向加強了導體邊緣電流，抵消了導體中心的電流，這便是集膚效應產生的原理。

　　關于集膚效應，趙修科老師在《開關電源中的磁性元件》一書中有過詳細的論述

　　在這里再引入一個名詞：穿透深度

　　定義：當導通流過高頻電流時，由于趨膚效應導致電流從導通表層流過，此表層的厚度稱為穿透深度或趨膚深度，用“Δ”表示

　　需要說明的是穿透深度指的是導體的半徑。

　　穿透深度跟工作溫度，導體的電阻率，導體的相對磁導率以及頻率等因素有關

　　其計算公式為

　　Δ=65.5/√f(mm) 20℃

　　Δ=76.5/√f(mm) 100℃

　　公式我就不推導了，有興趣可以參閱相關資料。

　　由上面的公式不難看出，工作頻率越高，導線的穿透深度就越低，所以廣大工程師在設計變壓器的時候，一定要考慮頻率對導線的穿透深度影響。

　　電流減少，但電流的方向還是不變的，所以產生的磁場方向還是不變的

　　這里只是解釋了集膚效應產生的原理，所以沒有提頻率的影響，我是這樣理解的：頻率越高，那么電流變化率越大，就意味著產生磁場強度越強，也就是說產生的渦流對中心的電流阻礙作用就越大，所以就有了一個穿透深度的問題

　　下面來看臨近效應

　　定義：

　　當兩個相鄰導體流過方向相反的電流時，相互之間會產生磁動勢，而磁動勢在對方的導體中會產生渦流，此渦流導致導體相互靠近的地方電流加強，而相互遠離的地方電流減弱。

　　由上圖可知，臨近效應導致導體有部分流過的電流小甚至不流過電流，而有一部分流過的電流則很大，這個會引起很大的熱損耗，在導線較粗的情況下尤為明顯。

　　實踐證明，臨近效應跟繞線的層數密切相關，臨近效應隨繞線層數的增加呈指數規律增加

　　關于臨近效應的產生原理，趙修科老師有非常詳細與精彩的分析

　　磁性元件的設計中存在太多的不確定因素，比如同樣的繞制工藝要求，不同廠家做出來的會有小小的差異，還有磁芯材質的差異，因為不是每個工廠都用得起TDK的磁芯，所以，我認為設計是需要豐富的經驗加上實際的調試來確定最終參數。

　　我一般都是線大概計算下參數，然后在實際中調試，最終確定的參數主要是看調試的效果。