常用電子元器件分類及選型（正激）

六、 電感(正激電感▲)

分類：按結(jié)構(gòu)分線繞電感和非線繞電感;固定式和可調(diào)式。

按貼裝分貼片式電感和插件式電感。

按頻率分高頻、中頻、低頻電感器。

按用途分振蕩電感器、校正電感器、顯像管偏轉(zhuǎn)電感器、

阻流電感器、濾波電感器、儲能電感器、被償電感器等

選型：因電感類的種類多，講起來很繁瑣，特兼顧設(shè)計(jì)方面講解正激電感略帶濾波器和濾波電感

1. 濾波電感

濾波電感作為輸入濾波來說，都是濾除差模雜訊，材質(zhì)一般為鎳鋅R棒居多(較少用鐵粉芯環(huán)或鎳鋅環(huán))，電感量一般根據(jù)具體通過EMI(如EN55015標(biāo)準(zhǔn))為幾百uH-1mH之間。線徑選取根據(jù)最嚴(yán)酷條件，以及溫升選取。

輸出濾波電感，一般是平滑紋波以及消除MOS管或二極管的開關(guān)噪聲，材質(zhì)一般為鎳鋅R棒或工字，電感量一般選取幾u(yù)H-幾十uH。線徑選取根據(jù)最嚴(yán)酷條件，以及溫升選取。

2. 濾波器

濾波器作為輸入濾波來說，都是濾除共模雜訊(由于共模濾波器很難做到完全電感量對稱，所以會充當(dāng)一部分差模電感濾除差模雜訊)，材質(zhì)一般為高導(dǎo)錳鋅環(huán)，少數(shù)會用到非晶環(huán)，電感量一般根據(jù)具體通過EMI(如EN55015標(biāo)準(zhǔn))為幾mH-幾十mH之間。線徑選取根據(jù)最嚴(yán)酷條件，以及溫升選取。

當(dāng)然部分情況濾波器會用到次級，也是為過EMI，電感量一般在幾百uH。線徑選取根據(jù)最嚴(yán)酷條件，以及溫升選取。

3. 正激電感 ▲

設(shè)計(jì)

首先，以正激電感為研究對象，進(jìn)行研究。在一個周期中，開關(guān)管開通的時(shí)候，正激電感兩端被加上一個電壓，其電流不是突變的，而是線性的上升的，有公式I=V*Ton/L，這幾項(xiàng)分別表示電感電流的增量，輸入電壓，開通時(shí)間，電感量。而這個電壓是變壓器副邊放出的。在開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候，電感器以一個恒定的電壓放電，其電流即會線性的下降，同樣遵守這個公式，即I=Vo*Toff/L，一個周期中，放電電流等于充電電流，所以上兩式相等，再用1-D代替Toff，D代替Ton，于是從上兩式中得到Vo=V*D。畫出電感兩端的電壓電流波形如下圖。

上為電流波形，下為電壓波形。所以，設(shè)計(jì)的第一步就是確定這個原邊電流(倒映)的波形。

下面，以12V/24A的電源為例，介紹一下設(shè)計(jì)步驟。

1. 選取最低輸入電壓(直流)Vimin：175V;輸出電壓Vo：12V;輸出電流Io：24A;估算效率：80%;工作頻率f：65KHz;最大占空比D：0.6;輸出整流管正向壓降Vfo：1.5V。

2. 根據(jù)公式Vs=Vo/D+Vfo計(jì)算正激電感輸入電壓，即變壓器付邊繞組輸出電壓，為21.5V

3. 選定輸出紋波電流峰峰值Ir，范圍一般為輸出電流的10%～50%，這里選為4.3A。

4. 根據(jù)公式Ip=Io+Ir/2計(jì)算正激電感的電流峰值為26.15A。

5. 根據(jù)公式L=(Vs-Vfo-Vo) *D /f /Ir計(jì)算電感量為17.17uH

6. 根據(jù)公式ILRMS=IP*根號下的[〈((Ir/Ip)的平方/3-(Ir/Ip)+1)*D〉+〈((Ir/Ip)的平方/3-(Ir/Ip)+1)*(1-D)〉]計(jì)算電感電流的有效值為24.03A。

7. 根據(jù)環(huán)境及工藝條件選取載流密度，一般為4～10A/平方mm，風(fēng)冷狀態(tài)、良好散熱及較短持續(xù)時(shí)間的可選到20以內(nèi)。據(jù)此選擇合適的線徑。

8. 如果選用鐵氧體磁心做電感，需根據(jù)磁心的截面積選擇繞制匝數(shù)，使根據(jù)B=L*IP/N/SE計(jì)算出的B值在0.2~0.3以內(nèi)，再根據(jù)Lg=N^2/L*4Π*0.0000001*SE計(jì)算氣隙長度。

9. 如果選用金屬粉末磁環(huán)做電感，可用廠家提供的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。本例中用Micrometals公司的T106-26鐵粉環(huán)，繞制28T，可保證24A電流下電感量為17uH;靜態(tài)電感量為70uH。

特別注意：正激是從buck電路演變而來，所以考驗(yàn)正激電感的是在最高輸入電壓的時(shí)候，所以以上計(jì)算還需要用高輸入電壓計(jì)算一遍。

七、變壓器▲

分類：按結(jié)構(gòu)分：雙卷變壓器、三卷變壓器和自藕變壓器。

按相數(shù)分：單相變壓器、三 相變壓器。

按用途分：電力變壓器、試驗(yàn)用變壓器、測量變壓器(互感器)、礦用變壓器、 調(diào)壓器、電抗器、整流變壓器、電焊變壓器、沖擊變壓器等。

按中性點(diǎn)絕緣水平分：全絕緣變壓器和半絕緣變壓器。

按電源拓?fù)浞郑簡味朔醇?、單端正激、推挽、半橋、全橋變壓?目前較流行還有一種LLC諧振變壓器)。

設(shè)計(jì)：因會設(shè)計(jì)正激變壓器了，雙端的推挽、半橋和全橋就相應(yīng)的會了，所以本次設(shè)計(jì)以單端反激和單端正激變壓器設(shè)計(jì)為例

1.單端反激變壓器設(shè)計(jì)

計(jì)算反激變壓器，就是要先選定一個工作點(diǎn)，在這個工作點(diǎn)上算，這個是最苛刻的一個點(diǎn)，這個點(diǎn)就是最低的交流輸入電壓(反激電路由boost電路演變而來)，對應(yīng)于最大的輸出功率。下面我就來算了一個輸入85V到265Vac，輸出5V，2A 的電源，開關(guān)頻率是100KHz。

第一步就是選定原邊反射電壓Vor，這個值是由自己來設(shè)定的，這個值就決定了電源的占空比。

這是一個典型的單端反激式開關(guān)電源，來分析一下一個工作周期，當(dāng)開關(guān)管開通的時(shí)候，原邊相當(dāng)于一個電感，電感兩端加上電壓，其電流值不會突變，而線性的上升，有公式上升了的I=Vs*ton/L,這三項(xiàng)分別是原邊輸入電壓，開關(guān)開通時(shí)間，和原邊電感量.在開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候，原邊電感放電，電感電流又會下降，同樣要尊守上面的公式定律，此時(shí)有下降了的I=Vor*Toff/L,這三項(xiàng)分別是原邊感應(yīng)電壓，即放電電壓，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間，和電感量.在經(jīng)過一個周期后，原邊電感電流的值會回到原來，不可能會變，所以，有Vs*Ton/L=Vor*Toff/L,，上升了的，等于下降了的，上式中可以用D來代替Ton，用1-D來代替Toff，移項(xiàng)可得，D=Vor/(Vor+Vs)。此即是最大占空比了。比如選定感應(yīng)電壓為80V，Vs為90V ，則D=80/(80+90)=0.47

第二步,落實(shí)原邊電流波形的參數(shù).

原邊電流波形有三個參數(shù),平均電流,有效值電流,峰值電流.,首先要知道原邊電流的波形,原邊電流的波形如下圖所示.這是一個梯形波橫向表示時(shí)間,縱向表示電流大小,這個波形有三個值,一是平均值,二是有效值,三是其峰值,平均值就是把這個波形的面積再除以其時(shí)間.如下面那一條橫線所示,首先要確定這個值，這個值是這樣算的，電流平均值=輸出功率/效率*VS?，F(xiàn)在下一步就是求電流峰值，我們自己還要設(shè)定一個參數(shù)，這個參數(shù)就是Krp，所謂Krp，就是指最大脈動電流和峰值電流的比值這個比值下圖分別是最大脈動電流和峰值電流。是在0和1之間的。這個值很重要。已知了Krp，現(xiàn)在要解方程了，已知這個波形一個周期的面積等于電流平均值*1，這個波形的面積等于，峰值電流*KRP*D+峰值電流*(1-Krp)*D，所以有電流平均值等于上式，解出來峰值電流=電流平均值/(1-0.5Krp)*D。比如說我這個輸出是10W，設(shè)定效率是0.8.則輸入的平均電流就是10/0.8*90=0.138A,我設(shè)定Krp的值是0.6而最大值=0.138/(1-0.5KRP).D=0.138/(1-0.5*0.6)*0.47=0.419A.

第三個電流參數(shù),就是這個電流的有效值,電流有效值和平均值是不一樣的,有效值的定義就是說把這個電流加在一個電阻上,若是其發(fā)熱和另處一個直流電流加在這個電阻上發(fā)熱效果一樣的話,那么這個電流的有效值就等于這個直流的電流值.所以這個電流的有效值不等于其平均值,一般比其平均值要大.而且同樣的平均值,可以對應(yīng)很多個有效值,若是把Krp的值選得越大,有效值就會越大,有效值還和占空比D也有關(guān)系,總之.它這個電流波形的形狀是息息相關(guān)的.我就直接給出有效值的電流公式,這個公式要用積分才能推得出來,我就不推了,只要大家區(qū)分開來有效值和平均值就可以了.

電流有效值=電流峰值*根號下的D*(Krp的平方/3-Krp+1)如我現(xiàn)在這個,電流有效值=0.419*根號下0.47*(0.36/3-0.6+1)=0.20A.所以對應(yīng)于相同的功率,也就是有相同的輸入電流時(shí),其有效值和這些參數(shù)是有關(guān)的,適當(dāng)?shù)恼{(diào)整參數(shù),使有效值最小,發(fā)熱也就最小,損耗小.這便優(yōu)化了設(shè)計(jì).

第三步,開始設(shè)計(jì)變壓器準(zhǔn)備工作.已知了開關(guān)頻率是100KHz則開關(guān)周期就是10微秒了,占空比是0.47.那么Ton就是4.7微秒了.記好這兩個數(shù),對下面有用.

第四步,選定變壓器磁芯,這個就是憑經(jīng)驗(yàn)了,如果你不會選,就估一個,計(jì)算就行了,若是不行,可以再換一個大一點(diǎn)的或是小一點(diǎn)的,不過有的資料上有如何根據(jù)功率去選磁芯的公式或是區(qū)線圖,還有AP法等，大家不妨也可以參考一下.我一般是憑經(jīng)驗(yàn)來的。

第五步,計(jì)算變壓器的原邊匝數(shù),原邊使用的經(jīng)徑.計(jì)算原邊匝數(shù)的時(shí)候,要選定一個磁芯的振幅B,即這個磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化區(qū)間,因?yàn)榧由戏讲妷汉?這個磁感應(yīng)強(qiáng)度是變化的,正是因?yàn)樽兓?所以其才有了變壓的作用,NP=VS*TON/SJ*B,這幾個參數(shù)分別是原邊匝數(shù),最小輸入電壓,導(dǎo)通時(shí)間,磁芯的橫節(jié)面積和磁芯振幅,一般取B的值是0.1到0.2之間,最大不超過0.3(當(dāng)然也有例外，有時(shí)可以選到0.4，根據(jù)具體情況)。取得越小,變壓器的鐵損就越小,但相應(yīng)變壓器的體積會大些.這個公式來源于法拉弟電磁感應(yīng)定律,這個定律是說,在一個鐵心中,當(dāng)磁通變化的時(shí)候,其會產(chǎn)生一個感應(yīng)電壓,這個感應(yīng)電壓=磁通的變化量/時(shí)間T再乘以匝數(shù)比,把磁通變化量換成磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量乘以其面積就可以推出上式來,簡單吧.我的這個NP=90*4.7微秒/32平方毫米*0.15,得到88匝0.15是我選取的了值.算了匝數(shù),再確定線徑,一般來說電流越大,線越熱,所以需要的導(dǎo)線就越粗,,需要的線徑由有效值來確定,而不是平均值.上面已經(jīng)算得了有效值,所以就來選線,我用0.25的線就可以了,用0.25的線,其面積是0.049平方毫米,電流是0.2安,所以其電流密度是4.08,可以,一般選定電流密度是4到10安第平方毫米.記住這一點(diǎn),這很重要.若是電流很大,最好采用兩股或是兩股以上的線并繞,因?yàn)楦哳l電流有趨效應(yīng),這樣可以比較好.

第六步,確定次級繞組的參數(shù),圈數(shù)和線徑。記得原邊感應(yīng)電壓吧,這就是一個放電電壓,原邊就是以這個電壓放電給副邊的,看上邊的圖,因?yàn)楦边呡敵鲭妷簽?V,加上肖特基管的壓降,就有5.6V,原邊以80V的電壓放電,副邊以5.6V的電壓放電,那么匝數(shù)是多少呢,當(dāng)然其遵守變壓器那個匝數(shù)和電壓成正比的規(guī)律.所以副邊電壓=NS*(UO+UF)/VOR,其中UF為肖特基管壓降.如我這個副邊匝數(shù)等于88*5.6/80,得6.16,整取6匝.再算副邊的線徑,當(dāng)然也就要算出副邊的有效值電流啦,副邊電流的波形會畫嗎,我畫給大家看一下。

畫的不太對稱,只要知道這個意思,就可以了.有突起的時(shí)間是1-D,沒有突起的是D,剛好和原邊相反,但其Krp 的值和原邊相同的這下知道了這個波形的有效值是怎么算的了吧,哦,再提醒一句,這個峰值電流就是原邊峰值電流乘以其匝數(shù)比,要比原邊峰值電流大數(shù)倍。

第七步確定反饋繞組的參數(shù),反饋是反激的電壓,其電壓是取自輸出級的,所以反饋電壓是穩(wěn)定的,TOP 的電源電壓是5.7到9V,繞上7匝,那么其電壓大概是6V多,這就可以了,記得,反饋電壓是反激的,其匝數(shù)比要和幅邊對應(yīng),至于線,因?yàn)榱鬟^其的電流很小,所以就用繞原邊的線繞就可以了,無嚴(yán)格的要求.

第八步,確定電感量.記得原邊的電流上升公式嗎I=Vs*Ton/L。因?yàn)槟阋呀?jīng)從上面畫出了原邊電流的波形,這個I就是:峰值電流*Krp,所以L=Vs*Ton/峰值電流*Krp,知道了嗎,從此就確定了原邊電感的值.

第九步,驗(yàn)證設(shè)計(jì),即驗(yàn)證一下最大磁感應(yīng)強(qiáng)度是不是超過了磁芯的允許值,有BMAX=L*IP/SJ*NP.這個五個參數(shù)分別表示磁通最大值,原邊電感量,峰值電流,原邊匝數(shù),這個公式是從電感量L的概念公式推過來的,因?yàn)長=磁鏈/流過電感線圈的電流,磁鏈等于磁通乘以其匝數(shù),而磁通就是磁感應(yīng)強(qiáng)度乘以其截面積,分別代入到上面,即當(dāng)原邊線圈流過峰值電流時(shí),此時(shí)磁芯達(dá)到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度,這個磁感應(yīng)強(qiáng)度就用以上公式計(jì)算.BMAX的值一般一要超過0.3T (有時(shí)可以選到0.4，根據(jù)具體情況),若是好的磁芯,可以大一些,若是超過了這個值,就可以增加原邊匝數(shù),或是換大的磁芯來調(diào).

總結(jié)一下:

設(shè)計(jì)高頻反激變壓器,有幾個參數(shù)要自己設(shè)定,這幾個參數(shù)就決定了開關(guān)電源的工作方式,第一是要設(shè)定最大占空比D,這個占空比是由你自己設(shè)定的感應(yīng)電壓VOR來確定的,再就是設(shè)定原邊電流的波形,確定Krp的值,設(shè)計(jì)變壓器時(shí),還要設(shè)定其磁芯振幅B,這又是一個設(shè)定,所有這些設(shè)定,就讓這個開關(guān)電源工作在你設(shè)定的方式之下了.要不斷的調(diào)整,工作在一個對你來說最好的狀態(tài)之下,這就是高頻反激變壓器的設(shè)計(jì)任務(wù)。

2.單端正激變壓器設(shè)計(jì)

正激變壓器和反激變壓器最大的區(qū)別就是正激變壓器不要開氣隙，要求其電感量盡量大。正激變壓器原邊也有電流，但這個電流不是其自己通過輸入電壓儲存來的，而是從副邊電感上感應(yīng)過來的，知道了這一點(diǎn)，正激變壓器就好設(shè)計(jì)了。

第一步：根據(jù)所選磁心的截面積SeT及預(yù)選的變壓器工作B值(BT)計(jì)算變壓器原邊匝數(shù)，公式為NP=Vimin*(1/f)*D/(SeT*BT)。本例中選用ER28磁心，查截面積SeT=81.4平方mm;預(yù)選BT=0.33T;計(jì)算結(jié)果為60.136匝，選用60匝。

第二步：根據(jù)公式NS=Np*Vs/Vimin計(jì)算付邊匝數(shù)為7.37匝，選取7匝。

第三步：計(jì)算匝比N=Np/Ns=8.571

第四步：計(jì)算原邊電流峰值Ipp=Ip/N=3.051A

第五步：計(jì)算原邊電流有效值Iprms=Ipp*根號下的(((Ir/Ip)^2/3-Ir/Ip+1)*D)=2.17A，據(jù)此選擇原邊線徑。

第六步：付邊電流峰值Ips=Ip，計(jì)算付邊電流有效值Isrms=Ip*根號下(((Ir/Ip)^2/3-Ir/Ip+1)*D)=18.62A，據(jù)此選擇付邊線徑。

總結(jié)一下：

設(shè)計(jì)高頻正激變壓器，相比反激而言，簡單很多，沒有什么好特別注意的，相反正激電感是設(shè)計(jì)正激的重點(diǎn)，需要精心設(shè)計(jì)，正激變壓器只是一個一個“水管子”只要有勵磁電流(很小的電流)來維持即可。

八、PCB板

分類：

按層數(shù)分：單面板，雙面板，多層板。

按顏色分：自然色，黑色，白色，黃色等。

按材質(zhì)分：FR-1，CEM-1，CEM-3，F(xiàn)R-4等。

選型以及注意事項(xiàng)

1、板材：包括材料類型，板材基材厚度，基材銅箔厚度，阻焊顏色，字符顏色，是否要求特定的板材供應(yīng)商有無諸如介電等方面的要求。

2、加工板邊尺寸、公差、翹曲度及有無特殊要求。

3、表面涂敷要求：環(huán)氧OSP、噴錫、鍍金等要求

4、孔徑最小孔徑，精度公差，孔內(nèi)質(zhì)量要求孔內(nèi)最小銅厚，孔徑公差，焊盤公差尺寸要求，是否要喇叭孔等。

5、表面阻焊顏色，厚度，有無供應(yīng)商要求，阻焊圈的其他要求，字符油墨顏色，LOGO標(biāo)記，UL標(biāo)記等其他方面

6、離子污染度要求，阻抗要求等

7、線寬線距精度要求，線厚要求除了通斷之外其他質(zhì)量要求和次表面質(zhì)量問題，

8、機(jī)加工類型，銑，沖(模具)，V-CUT，金手指倒角、板邊機(jī)加工缺陷允收范圍;

9、拼板供貨方式，單個還是連排，工藝邊定位點(diǎn)固定孔處理方式等;一定考慮波峰焊流向。

10、包裝方式(紙包、真空、帶裝、紙箱等)，運(yùn)輸方式，儲存方式(防潮、防氧化、防灰塵等)