多年來，我觀察到在設計磁性元件時有兩類人。首先，你有那些知道如何構建零件的人。他們通常是經驗豐富的工程師或技術人員，他們知道有簡單直接的設計方法可以確保成功。其次，工程界的其他人都被磁力嚇壞了。似乎有無窮無盡的棘手方程式，掩蓋了“如何開始設計”的優雅簡單。

構建和迭代部件是無可替代的，它是真正獲得知識和經驗的唯一途徑。我們已經看到這應用于電感器設計，現在我們將注意力轉向第二個磁性元件——變壓器。

兩種磁路元件

電路理論中只有兩種類型的磁體——簡單的電感器和理想的變壓器。如果鐵芯上有一個繞組，則有一個電感器。如果您有兩個或多個繞組，或者甚至只是一個繞組上的一個抽頭，那么您就有了一個變壓器。它不會是一個理想的變壓器，這只能在模擬中實現，但我們仍然稱它為變壓器。

圖 1：兩種類型的磁性元件

正如我們將看到的，當您嘗試構建理想變壓器時，必須添加額外的電感組件才能充分解釋其操作。這就是使磁性元件如此有趣的原因——對這些額外組件的適當控制使專家與新手區分開來。詳細的構造技術導致非常先進的設計，而無需無窮無盡的方程式。但讓我們從頭開始。正如我們在之前的文章中了解到的，大多數關于磁性的出版物都使設計過程顯得過于復雜。對于電感器，我們展示了正確設計只有一個必須遵守的方程式。除了這個等式之外，鼓勵工程師使用設計迭代來探索設計任務的可能性。對于電感，公式為：

圖 2：單電感器設計方程式

這個單一方程告訴我們，對于給定的電感和它必須承載的峰值電流，您需要選定磁芯上的某個最小匝數，以免磁芯材料飽和。就是這么簡單。如何用導線、箔、利茲或其他材料排列這些匝將決定電感器的性能。變壓器更復雜，因為它們上有兩個或更多繞組。但是，它們是電路模擬器中的基本元素，它們在原理圖中的符號也很簡單。

圖 3：理想變壓器及其等效電路

從圖 3 中的電路可以看出，理想變壓器的操作很容易定義。如果變壓器的匝數比為 n:1，則變壓器的輸出電壓正好等于輸入電壓除以 n。同樣，變壓器的輸入電流等于輸出電流除以 n。

這個具有兩個來源的簡單等效電路為我們提供了一些重要的見解。請注意，輸入第一個繞組的功率與輸出第二個繞組的功率完全相等。換句話說，理想變壓器中沒有能量存儲。其結果是變壓器沒有固有的額定功率。我們可以將無限的功率推入一個繞組，并從第二個繞組接收無限的功率。

缺乏能量存儲使這成為可能。如果您使用過工頻變壓器，您就會知道這一點。標簽上標稱額定功率為 50 W 的變壓器非常有能力在短時間內為您提供 500 W 的功率而不會產生不良影響。當用切換器替換線性電源時，很容易忽略這個事實。

構建變壓器

圖 4 顯示了變壓器的構造方式。我們有一個通常沒有缺口的核心。初級和次級匝通常一個在另一個之上纏繞，但也有例外。對于給定的芯尺寸和形狀，芯具有橫截面積，以及由芯的材料決定的磁導率。制作變壓器時，繞組及其排列方式有無窮無盡的選擇。

圖 4：變壓器的構造

無論匝數如何排列，鐵芯如何選擇，都不可能做出理想的變壓器。理想變壓器只能存在于理論上的電路元件中。用于包圍變壓器場的磁芯為設備增加了許多額外的電路元件。其中第一個也是最重要的是磁化電感，它出現在等效電路中，如下所示。

請注意，我們在這個電路模型中仍然有一個理想的變壓器，能夠處理無限的功率。然而，與這種理想器件并行的是變壓器的磁化電感。這個電路元件的行為與任何其他電感器一樣——如果我們通過它推動過多的電流，我們可能會使材料飽和。這通常是在任何情況下都必須避免的破壞性事件。

圖 5：具有并聯勵磁電感的理想變壓器

流過勵磁電感的電流不是負載電流。勵磁電流由施加在變壓器上的電壓波形決定，與流經變壓器理想部分的電流無關。

圖 6 顯示了我們如何在變壓器設計中使用磁性材料。對于正激式轉換器，磁芯中的磁通量在每個循環開始時從零開始，并在開關導通時間結束時增加到材料的峰值水平。對于橋式轉換器，我們可以在兩個象限中驅動核心，這可以使核心的尺寸更小。但是，必須小心保持核心通量以零為中心，這可能很難控制。

圖 6：變壓器磁芯中的磁通擺幅

圖 7：外加電壓和磁化電流的影響

變壓器的一個方程

圖 7 顯示了在變壓器上施加的電壓波形，以及相應的勵磁電流。電流在開關導通期間上升，并在復位期間再次下降至零。重置是通過各種方案實現的。它們中的每一個都涉及在變壓器的初級兩端施加負電壓以降低磁化電流。開關導通期間勵磁電流的斜率（以藍色顯示）由電感值和施加到變壓器的電壓決定。很容易證明，這個磁化電感和電流等價如下：

圖 8：變壓器的單一設計方程式

擁有一個方程式是變壓器的關鍵方程式，這是一個有利的啟示。您無需更深入地開始繞組變壓器。對于在轉換器中運行的變壓器，我們知道開關的最大電壓和最大導通時間。如果我們對鐵氧體材料采用 0.3 T 的最大磁通水平，那么任何給定的磁芯及其面積都具有避免飽和所需的定義匝數。用于設計可靠商用電源的 0.3 T 通量水平。高可靠性電源可能會將此水平降低到 0.25 T 或 0.2 T，具體取決于應用。

理論上，我們可以將橋式轉換器的值翻倍至 0.6 T，認識到磁通量可以在兩個方向上擺動。但是，我們需要關注變壓器的初始啟動。通量可以為零。轉換器中的大瞬態事件范圍可以從極輕負載到滿負載。這是一個謹慎的判斷，以充分的測試為后盾，決定了要使用多少可用凈空。

其他設計方程式和注意事項

擁有一個方程式可以簡化事情。然而，當您閱讀磁學教科書或應用筆記時，您會發現許多額外的設計方程和約束。與電感器設計一樣，其中大部分是消除設計迭代并一次性解決“最佳”設計的額外嘗試。在我看來，這沒有用。當冷卻安排和結構因應用而異時，您不可能使用相同的一組約束和指導來優化每個設計。在這方面，我們忽略了填充因子、窗口面積乘積和導體電流密度的傳統準則。教科書中的假設根本不適用于現代磁性結構。它們源自過去的線頻磁學。使用 ONE EQUATION 并邊走邊學要好得多。

概括

創建變壓器設計需要一個設計方程。這個方程可以在所有磁性書籍中找到，但沒有強調為必不可少的一個方程。它隱藏在數百個其他方程下。一旦理解了這一點，就可以非常簡單地開始設計和構建自己的變壓器。

變壓器是有趣的元素，因為它們不儲存能量，因此沒有明確的額定功率。這導致您將在生產設計中看到各種各樣的尺寸和形狀。一家公司的 100 W 變壓器鐵芯將被另一家公司以 800 W 的功率使用。雖然這乍一看令人費解，但理解 ONE EQUATION 可以提供洞察力。

我們建議的方法是使用 ONE EQUATION 并快速構建和迭代設計。變壓器設計方面的實踐經驗無可替代。

審核編輯：符乾江