电源的工作原理（四）

正如我之前所说，今天要讲的是功率变压器，以及一个叫作吸收电路（Snubber）的模块。
变压器大多数人应该都了解，而吸收电路则主要是那些深入研究电源的人才熟悉。
照片中整个模块用红色标出，吸收电路则用绿色圈了起来。


在这款广受欢迎的电源里也能看到它。照片中我划掉了一个与吸收电路无关的二极管。


我的自制电源里也有。这里的电路有所不同，稍后我会讲到。


我想很多人都熟悉典型的反激式电源电路，这类电路在我的评测中经常出现。


我们把其中我要讲的部分单独拿出来。
它包括吸收电路、变压器、输入电容和高压晶体管。


去掉与讨论主题无关的部分后，剩下的元件就很少了，我想这样更容易理解其中的工作过程。


开关电源工作时会发生什么？
首先，功率开关管导通，电流流过红色标出的回路，此时能量储存在变压器的磁芯中。


开关管关断后，变压器绕组上的极性反转，电流开始流向负载。


但由于变压器和输出回路并非理想元件，初级绕组上会产生电压尖峰，并通过吸收电路。
仔细看就会发现，绕组起始端的圆点标记相对于二极管D1和D2的方向一致，因此功率开关管导通时，这些回路不会工作。
吸收电路的作用是吸收初级绕组产生的寄生电压尖峰，从而保护高压晶体管。有些特别便宜的电源根本没有吸收电路，这非常不好，会降低可靠性。


典型电源中的这部分电路如下。元件参数要根据变压器绕组的电感、工作频率和电源功率来选择。我就不讲计算方法了，那会花不少时间；只说一点：这里并不是越大越好，电路参数必须针对具体条件进行优化。


有些人可能看到了吸收电路中的二极管，觉得有点眼熟。
没错，它最接近的类似电路，就是用于保护控制继电器线圈供电的晶体管的电路。在这里它的作用也类似：防止晶体管关断时出现电压尖峰。顺便说一句，如果把这个电路中的二极管换成稳压二极管，效果应该会更好。


由于二极管方案不适用于变压器电路，因此会在它串联一个电阻和电容，或者串联一个瞬态抑制二极管（TVS），如下图所示。


又多了一个新词——瞬态抑制二极管（TVS）。别紧张，TVS本质上就是一种稳压二极管；不过稳压二极管的作用是提供稳定电压，而TVS侧重于承受脉冲电流和耗散功率，在这里电压稳定性并不重要。
它看起来和普通二极管一样，也有双向型号，但双向型号不会标出阴极。最常见的是P6KE和1.5KE系列TVS。前者的脉冲功率为600 W，后者为1500 W。还有功率更大的型号，不过我们用不上。


我稍微把电路图转一下，这样更容易看懂它的工作原理。这类电路通常使用200 V的TVS，例如P6KE200A。
这样一来，变压器绕组上的电压就不会超过200 V。输入电容上的电压约为310 V。
因此晶体管上的电压约为510 V。实际上电压会稍高一些，因为元件并非理想，而且电网电压也可能更高。


TOP系列芯片的数据手册中经常会给出这种TVS接法。
这种电路的限压特性更陡：电压低于200 V时完全不限制，超过200 V后则会尽量把高出的部分削掉。 带电容的电路，其钳位特性略有不同，不过实际上这并不重要。


为了降低TVS管上的耗散功率，可以在其两端并联一个电容。


也可以把两种电路结合起来，保留两种方案中的所有元件。这种做法常见于大功率反激式电源。


有时也会采用另一种晶体管保护方案：将TVS管并联在晶体管两端。这种方案比较少见，更多用于输入电压较低的电源。


例如，在PoE电源中就能看到这种TVS管接法。这里的输入电压不是310 V直流，而是最高只有70 V。


现在可以来看看变压器了。
变压器由磁芯和骨架组成，有时还会加上专用卡扣，用来将磁芯固定在骨架上。


最常用的是E形磁芯。如果电源是反激式的——绝大多数廉价小功率电源都属于这一类——那么磁芯的两半之间必须留有气隙。气隙可以设在两半磁芯之间，也可以使用中柱自带气隙的专用磁芯；后一种情况下，气隙宽度应为前一种的两倍。


磁芯通常采用铁氧体材料。品牌磁芯上可能印有型号标记，可以通过数据手册查询其参数；而较便宜的磁芯通常没有标记。


先绕制变压器绕组，然后将骨架装到磁芯上。


小型变压器的绕制过程相当简单。
先绕初级绕组。


然后绕次级绕组，有时会用两根或更多根导线并绕。


如果还有第三个绕组，通常是给PWM控制器供电的绕组，那也把它绕上。


为了安全起见，把整个结构都绝缘起来。


之后取来选好的磁芯，这里其中一半磁芯的中柱较短。


把整个结构组装起来。磁芯通常会粘合在一起，不过我一般还会用胶带再固定一下。


最后就得到一个小巧整洁的变压器。图中这个变压器的功率约为25-30 W。


这个变压器的功率已经达到80-100 W。绕制方法类似，但有一些区别。


对于输出电压低、输出电流大的变压器，输出绕组可以用利兹线或铜排绕制。


初级绕组的匝数选择是否合适，直接取决于变压器绕制是否正确。对于小功率变压器，这一点不算特别关键；但大功率变压器绕错了，可能会造成严重后果。
通常绕组分三层绕制（如果有三个绕组），依次为初级、次级和辅助绕组。
不过，如果把次级绕组放在初级绕组的两半之间，就能大幅改善绕组间的耦合。


此外，建议不要乱绕，而要一匝挨着一匝地绕，均匀铺满整个骨架。大电流绕组最好用几根较细的导线并绕，而不是用一根粗线。

这个部分可能出现的问题：
1.高压晶体管损坏时，绕组可能发生匝间短路。
2.变压器过热，随后电感量急剧下降，导致逆变器晶体管损坏。
3.吸收电路中的二极管击穿，极少发生。
4.TVS管部分击穿，例如200 V的TVS管变成了100 V的TVS管。没有元件烧毁，但电源无法工作。