3.6 电感与变压器

在ATX电源中，电感是一类极其重要却又很难被理解的元件。相对于其他用电器而言，ATX电源实际上属于电感性负载（当然还对应有电阻性负载和电容性负载）。因此，对电感的学习，是ATX电源学习中的重中之重，这个关系到对整个电能转换过程的深入理解。

电感实际上由直导线绕制而成。根据其绕制形成的空腔中是否有附加有磁芯，又可分为有磁芯电感和无磁芯电感两种。磁芯也是一种“导体”，只不过它跟我们常见的金、银、铜、铁、铝这些传递电流（电场）的导体不同，它是用来传递磁（场）的导体。显然，磁芯的加入，一定是为了提高电感的某种性能。

接下来，我们将逐步地认识电感，提出与电感有关的概念，并解释其在电路中的作用。

对于任何事物而言，决定其性质的都是其结构。因此，我们必须首先分析一下电感的结构。对于电感而言，我们几乎不用考虑其中的磁芯（外形及材质）。电感的空间结构才是我们所关注的。决定电感空间结构的因素是其绕制过程。

3.6.1 电感线圈的绕制

请读者准备一根铜线及铅笔粗细的棒体，发挥想象力，实际地手工绕制若干电感，并分析它们的相同点与不同点。

我们将依据图3-29所示定义的方位和方向（起绕点、结束点、观察方向、环绕观察方向从左至右、环绕观察方向从右至左）来分析这个实际绕制过程。

在实际绕制铜丝时，既可以围绕棒体先绕过棒体的上侧再绕过棒体的下侧（如A、C）绕制，也可以围绕棒体先绕过棒体的下侧再绕过棒体的上侧（如B、D）绕制；既可以从起始点开始顺着观察方向沿着棒体延伸绕制（如A、B），也可以从起始点开始逆着观察方向沿着棒体延伸绕制（如C、D）。

可见，在绕制电感时，实际上有两个方向的选择问题：先绕棒体的上侧（下侧），再绕棒体的下侧（上侧）；相对于观察方向的延伸方向（顺着棒体、逆着棒体）。根据排列组合，不难得出在同一根棒体上，只能绕制出4种不同的线圈，我们将其命名为A、B、C、D。

那么，按照不同的方向绕制出来的A、B、C、D这4个电感的结构是否彼此不同呢？

经过仔细对比后可以发现，电感A和电感D能够重合，这说明两者本质是一样的，不论绕制时两个方向如何选择，相对于观察方向而言（从磁芯的上端往下端看），电感A和电感D都是“逆时针”绕制在磁芯上的。同样，经过仔细对比后也可以发现，电感B和电感C也能够重合，这说明两者本质上也是一样的，不论绕制时两个方向如何选择，相对于观察方向而言，电感B和电感C都是“顺时针”绕制在磁芯上的。但电感A（电感D）和电感B（电感C）无论如何也无法重合，可见，两者在结构上虽然极其类似但是具有本质的区别。

实际上，电感A（电感D）和电感B（电感C）这两类根据不同的绕制方向而得到的电感，可以最后根据线圈相对于观察方向的绕制方向被区分为顺时针绕制而成的电感和逆时针绕制而成的电感。

综上所述，在使用直导线绕制电感时，无论如何绕制，最后只能得到两类电感。并且可以最终根据相对于观察方向而言是顺时针绕制还是逆时针绕制，将所有的电感分为电感A（电感D）和电感B（电感C）两类。对于电感A（电感D）而言，是相对于观察方向“逆时针”绕制到磁芯上的；对于电感B（电感C）而言，是相对于观察方向“顺时针”绕制到磁芯上的。这种绕制方向的不同，决定了电感线圈的本质不同。

具体到变压器，绕制在同一个磁芯上的全部电感线圈，也可以根据其绕制方向的不同（顺时针或逆时针）被区分为两种——顺时针电感线圈和逆时针电感线圈。我们可以人为地规定从变压器有引脚一侧到无引脚一侧为我们的观察方向，反之亦然。总之，在规定好观察方向的前提之后，就能够判断出具体变压器上的具体电感到底是属于顺时针电感还是逆时针电感了。

最后，明确电感线圈结构的目的，是为了引入“同名端”和“异名端”的概念。“同名端”和“异名端”与“正激”和“反激”的概念有着内在的本质联系。

3.6.2 电感线圈的自感

在前面的内容中，我们详细地分析了电感的绕制，并将电感按照绕制过程的不同，区分为两类结构上本质不同的电感。对于任何事物而言，结构才是决定性质的根本因素。因此，对电感结构的分析是非常有意义的。

按照结构决定性质的规律，我们可以进行如下合理猜想：顺时针电感线圈和逆时针电感线圈在实际电路中应该有不同的表现。那么，这种表现的具体形式是什么呢？答案当然是其在电磁感应过程中的表现。

实际上，电感还有一个比较通俗的名字——扼流圈。“扼”就是限制的意思，“流”是指电流，两者合起来就是限制电流变化的意思。换句话说，当有电流试图通过电感时，电感虽然不能阻止电流的通过，却能够对流过的电流产生某种限制作用。

这种限制作用实际上发生在两个时间段。当电感中的电流从无到有时，电感会令通过其中的电流不至于很快地增大到最大值；当电感中的电流从有到无时，电感会令通过其中的电流不至于很快地减小到最大值（0）。

我们重点分析电感中的电流从无到有的情况，以此为例来说明电感的自感现象。

“当电感中的电流从无到有时，电感会令通过其中的电流不至于很快地增大到最大值。”这句话表达了一个基本事实，即作为基本元件的电感，跟电阻一样，也是一种对电流具有阻碍作用的元件。那么，电感对电流的阻碍和电阻对电流的阻碍有何区别呢？

实际上，只要在电阻的两端加上电压，就会在电阻中流过恒定的电流，这是欧姆定律所描述的基本电学规律。但是电感是由良好的导体制造的，其线材的电阻可以小到被忽略（使用足够粗的线材）的程度。换句话说，电感对电流的阻碍，就算是跟电阻对电流的阻碍在效果上相同（实际上既有相同点也有不同点），但根本就不是一回事。

电感对电流的阻碍，更主要是基于电感的自感现象，如图3-30所示。

设电流i（从0开始不断增大）从电感A的起绕点流入电感。此时，电感A变为通电螺线管，电感A会等价于一个条形磁铁。根据“右手螺旋定则”（此定则用于根据流过通电螺线管的电流方向来判断等价条形磁铁的磁场方向），将四指沿着电流的环绕方向（从观察方向看，电流为逆时针绕向）抓握住磁芯，拇指所指的方向（电感A的上端）就是电流i在磁芯中产生的磁场的方向（图3-30中的大N和大S）。即电感A的上端等价于条形磁铁的N极，作为通电螺线管的电感A的下端等价于条形磁铁的S极。我们把由i直接产生的磁场称为“原磁场”。

当原磁场产生之后，其磁场强度会随着电流i的增大而增大。即由电流i产生的原磁场实际上是一个逐渐增大的磁场，而且这个增大的趋势会一直保持到i达到其最大值i_max为止——当i达到其最大值i_max之后，原磁场的磁场强度也达到其最大值。可见，由流经电感A的电流i产生并最后维持的原磁场的强度实际上是由i_max的大小来决定的，并且最后得到的原磁场处于一种稳定的不再变化的状态。

在电流i由0增大到i_max的这段时间中，原磁场一直在增大。对于电感A而言，尽管原磁场是由于流经其自身的电流i产生的，但电感A仍然还是一个处于原磁场中的导体。而根据“楞次定律”，对于处于变化的磁场中的导体，必会感应出一个阻碍该变化磁场的变化的感应磁场。对于电感A而言，原磁场（在不断增大）就是变化的磁场，在电感A中，就应该产生一个阻碍原磁场变化的感应磁场，而这个感应磁场应该阻碍原磁场的变化。

那么，在电感A中，需要产生一个什么样的感应磁场才能够阻碍原磁场的变化呢？因为原磁场实际是不断增大的，因此，感应磁场必须能够使原磁场的磁场强度减小才能够阻碍原磁场的变化。而要达到这个效果，对于电感A而言，其产生的感应磁场的上端就只能等价于条形磁铁的S极，电感A的下端等价于条形磁铁的N极（图3-30中的小S小N）。因为只有这样，感应磁场才有可能抵消原磁场的强度，原磁场增大的趋势才有可能被阻碍。

这里补充一句，磁场是有方向的矢量，如果矢量的方向不同，叠加后的效果即最后的磁场方向是绝对值较大的那个矢量的方向。具体到电感A而言，原磁场（它的强度较大）的方向自下而上，感应磁场（它的强度较小）的方向自上而下，两者叠加之后电感A的上端还是等价于条形磁铁的S极，电感A的下端还是等价于条形磁铁的N极，但这是感应磁场已经抵消了原磁场之后的总结果。

到这里，我们已经明确了电感A在发生自感时所产生的感应磁场的方向：上S下N。接下来，我们继续根据感应磁场的方向去推断感应电动势（电感A的自感电动势）的方向。使用到的物理法则是“右手螺旋定则”。

事实上，我们在之前的分析中就已经使用过一次“右手螺旋定则”，用于判断电流i在电感A中产生的原磁场的方向。这是在已知电流的情况下判断未知磁场方向。而对于感应磁场而言，与之正好相反，是在已知磁场方向的情况下判断未知电流（实际上是感应电流）方向。同理，右手大拇指向下（指向感应磁场的N极），四指的方向就是感应电流（i_感）的方向。

可见，当自感发生时，感应电流（自感现象中的感应电流并不是真实的电流，但其效果却真实存在）的方向与流经电感A的电流方向相反。这意味着电流i受到了阻碍，虽然i不断增大，但在感应电流的抵消下需要花费更多的时间才能增大到最大值。因此，电感本质上一定与时间有关。

接下来，我们再分析电流i由大变小到0的情况，如图3-31所示。

当i减小时，原磁场的磁场强度减小，电感A中的自感磁场应该阻碍原磁场的减小，因此，感应磁场的上端为N，下端为S，只有这样，原磁场在感应磁场的叠加下才能够有可能保持强度不减小。根据“右手螺旋定则”，要在电感A中产生上N下S的感应磁场，就应该有相对于观察方向逆时针的感应电流（与i的方向相同）。

可见，当自感发生时，感应电流的方向与流经电感A的电流方向相同。这意味着电流i受到了阻碍，虽然i不断减小，但在感应电流的叠加下需要花费更多的时间才能减小的0。

综上所述，自感现象表现为当流经电感的电流变大时，电流需要更长的时间才能够变大（电能转化为磁场能的电感充能过程），当流经电感的电流变小时，电流也需要更长的时间才能够变小（磁场能转化为电能的释能过程）。可见，自感本质上是一个电能与磁场能之间的能量转换过程，并且是一个与电流i及时间都有关的物理量。

在前文中，我们还指出电感与电阻对电流的阻碍在效果上既有相同点也有不同点。至此，也可以更明确地指出：两者的相同点在于都会对电流的传导产生阻碍作用，不同点在于电阻在阻碍电流的同时会消耗电能（电能会被电阻消耗为热量而损耗），而电感并没有消耗电能，仅仅是将一部分电能以磁场的形式储存了起来。

电感B的分析过程与电感A的基本相同，本书不再赘述。

3.6.3 电感线圈的互感与同名端、异名端

在3.6.2节中，我们介绍了电感的自感现象。在自感中，作为分析对象的电感数量只有一个，而在互感中，作为分析对象的电感数量则至少为两个。自感和互感都是电感线圈在电磁感应现象中的具体现象，两者并没有本质的区别。

单个电感的自感或多个电感之间的互感常被人们用来实现变压，即在真实的变压器中，既有利用自感进行变压的变压器，也有利用互感进行变压的变压器。

接下来，我们详细地分析两个电感之间的互感现象，如图3-32（清晰大图见资料包第3章/图3-32）所示。

因为电感分为顺时针电感和逆时针电感，当选取两个电感分析其互感现象时，电感的组合情况存在3种可能。

（1）两个电感都是顺时针电感。

（2）两个电感都是逆时针电感。

（3）一个电感是顺时针电感，另一个电感是逆时针电感。

图3-32中（a）、（b）对应第（3）种情况：电感A为顺时针电感，电感B为逆时针电感。图3-32中（c）、（d）对应第（1）种情况（第（2）种情况与第（1）种情况的分析过程雷同）：两个电感（图中为电感A，若选为电感B则其分析过程雷同）都是顺时针电感。

在图3-32（a）、（c）中，我们令电流i（从0开始增大）从电感A的起绕点流入。在图3-32（b）、（d）中，我们令电流i（从最大值减小为0）从电感A的起绕点流入。换句话说，我们人为地将位于磁芯上端的电感A选定为变压器的初级绕组，将位于磁芯下端的电感作为变压器的次级绕组。令电流i从0开始增大，对应着开关管处于打开状态，交流市电220V开始输入到变压器中；令电流i从最大值减小为0，对应着开关管处于关闭状态，交流市电220V停止输入到变压器中。

以下是图3-32（a）的详细分析过程。

当电流i（从0开始增大）流入电感A后，在整个磁芯中产生上N下S的原磁场。对于作为初级线圈的电感A和次级线圈的电感B而言，均处于逐渐增大的原磁场中，必然会在电感A和电感B中产生感应磁场。在电感A中，会产生一个与原磁场方向相反的自感磁场，在电感B中也会产生一个与原磁场方向相反的互感磁场。可见，对于电感A而言，造成其自感磁场的原因是电感A自身，而对于电感B而言，造成其互感磁场的原因是电感A，这就是互感和自感的根本区别与本质性质。

在已知自感磁场和互感磁场的方向之后，我们就可以根据“右手螺旋定则”来判断在电感A中产生的自感电流和在电感B中产生的互感电流的方向。

要在电感A中产生相对于观察方向顺时针绕向的自感电流，就意味着电感A中的自感电动势的方向上端为正，下端为负。此时，具有自感电动势的电感A事实上就变成了一个电源（可以类比为电池）。因此，自感的直接结果是令电感A变成了一个电源，而且是一个与产生i的电源正正相连的电源，这不正是充电电池在正常充电时的连接形式吗？

要在电感B中产生相对于观察方向顺时针绕向的互感电流，就意味着电感B中的自感电动势的方向上端为负，下端为正。此时，具有互感电动势的电感B事实上也变成了一个电源（可以类比为电池）。因此，互感的直接结果是令电感B也变成了一个电源，而且是一个与产生i的电源正负相连的电源，这不正是多节电池的串联放电的连接形式吗？

以下是图3-32（b）的详细分析过程。

当电流i（从最大值减小为0）流入电感A后，在整个磁芯中产生上N下S的原磁场。对于作为初级线圈的电感A和次级线圈的电感B而言，均处于逐渐减小的原磁场中，必然会在电感A和电感B中产生感应磁场。在电感A中，会产生一个与原磁场方向相同的自感磁场，在电感B中也会产生一个与原磁场方向相同的互感磁场。

利用“右手螺旋定则”分别判断出电感A和电感B中的感应电流的方向。

要在电感A中产生相对于观察方向逆时针绕向的自感电流，就意味着电感A中的自感电动势的方向上端为正，下端为负。此时，具有自感电动势的电感A事实上就变成了一个电源（可以类比为电池）。因此，自感的直接结果是令电感A变成了一个电源，而且是一个与产生i的电源正负相连的电源，这不正是多节电池的串联放电的连接形式吗？

要在电感B中产生相对于观察方向逆时针绕向的互感电流，就意味着电感B中的自感电动势的方向上端为正，下端为负。此时，具有互感电动势的电感B事实上也变成了一个电源（可以类比为电池）。因此，自感的直接结果是令电感B变成了一个电源，而且是一个与产生i的电源正正相连的电源，这不正是充电电池在正常充电时的连接形式吗？

图3-32（c）、（d）的详细分析过程与图3-32（a）、（b）的分析过程雷同，不再赘述。

在图3-32（c）中，无论是自感中的电感A还是互感中的电感A，其结果是两个电感A都变成了电源，而且是一个与产生i的电源正正相连的电源，这不正是充电电池在正常充电时的连接形式吗？

在图3-32（d）中，无论是自感中的电感A还是互感中的电感A，其结果是两个电感A都变成了电源，而且是一个与产生i的电源正负相连的电源，这不正是多节电池的串联放电的连接形式吗？

综上所述，笔者详细地分析了互感过程中初级线圈和次级线圈在电流i增大和减小两种情况时的感应电动势的具体方向，并将其类比为电源/电池。之所以进行这样的类比，是因为对电感的学习，不可能绕过对基本电学定律的掌握，但是，对于理论基础相对薄弱的维修人员而言，却带来了很大的理解困难。因此，笔者根据初级线圈和次级线圈在电磁感应过程中的实际效果（感应电动势），在介绍理论知识的同时，也有意识地进行分析过程的简化和分析结果的形象化。

更为重要的，在将自感电动势或互感电动势与输入电源之间的关系被形象化为“电池的串联”和“充电电池的充电”之后，即可以很好地理解电感是通过“充电/放电”的过程来完成换能的，更可以帮我们引出彼此互感的两个线圈有关的重要概念：互感电感的同名端和异名端。

我们先分析一下同名端和异名端这两个词。

“同名”“异名”通俗地说就是“具有相同的名字”“具有不同的名字”。“端”就是指凸起状的事物，显然，在电感中，只能是指电感的两端。

如果我们用“具有相同的名字”和“具有不同的名字”这两个短语去区分事物，那么显然只能针对两个或多个事物。例如，“张三”和“李四”是两个不同的名字，我们只能说“张三”和“李四”“具有不同的名字”，但我们不能说“张三”“具有不同的名字”，也不能说“李四”“具有相同的名字”，等等。

我们再针对两个电感的两个“起绕点”和“结束点”（共四个“端”点）来进行分析。有没有这种可能，在互感过程中，这四个端点可以分为两类，其中的一类端点被称为“同名端”，另外一类端点被称为“异名端”？事实的确如此。

我们先看图3-32（a）、（b）的两个电感，当电感A的自感电动势上端为正时，电感B的互感电动势下端为正，而当电感A的自感电动势上端为负时，电感B的互感电动势下端为负。那么我们能不能将两个电感在电磁感应过程中都为正的端（或都为负的端）称为同名端呢？即电感A的起绕点和电感B的结束点为同名端，电感A的结束点和电感B的起绕点也为同名端，电感A的起绕点和电感B的起绕点为异名端，电感A的结束点和电感B的结束点为异名端。

我们先看图3-32（c）、（d）的两个电感，当上面的电感A的自感电动势上端为正时，下面的电感A的互感电动势上端为正，而当上面的电感A的自感电动势上端为负时，下面的电感A的互感电动势上端为负。同理，我们也可以将这两个电感在电磁感应过程中都为正的端（或都为负的端）称为同名端，即上面的电感A的起绕点和下面的电感A的起绕点为同名端，上面的电感A的结束点和下面的电感A的结束点也为同名端，上面的电感A的起绕点和下面的电感A的结束点为异名端，上面的电感A的结束点和下面的电感B的起绕点为异名端。

以上即是电感的“同名端”和“异名端”的概念。

从分析过程不难看出，“同名端”和“异名端”与电感本身是密切相关的。对于同类电感而言（顺时针、逆时针），其两个起绕点和两个结束点就是“同名端”，而一个电感的结束点（起绕点）和另一个电感的起绕点（结束点）就是“异名端”。而对于不同的电感而言，顺时针电感的起绕点和逆时针电感的结束点是“同名端”，顺时针电感的结束点和逆时针电感的起绕点也是“同名端”。

综上所述，要对两个互感电感的四个端进行“同名端”或“异名端”的区分，有两个方法：一个是根据电感的绕制方向，先将其区分为顺时针电感或逆时针电感后判断；另一个是引入一个用来激发自感电动势和互感电动势的原磁场，并通过某种方法实测出自感电动势和互感电动势的方向后判断。

对于具体变压器而言，要搞清楚其初级线圈和次级线圈的绕制方向往往需要进行破拆，这显然限制了“方法一”的使用。因此，如何根据ATX电源中的开关变压器的特点，设计一个方便实用的电路来通过“方法二”来实现“同名端”或“异名端”的区分才是有价值的。

对于实际维修而言，掌握“同名端”或“异名端”的区分方法有着现实意义。因为这是手工绕制变压器的必要知识储备。

3.6.4 实际变压器同名端、异名端的判断

在3.6.3节中，我们详细地分析了两个电感线圈之间所发生的互感现象，将两个电感（初级线圈和次级线圈）上产生的感应电动势类比为电池，然后根据电池电动势的方向与初级线圈输入电源的电动势的方向相同或不同，提出了“电池的串联”（两个电动势方向相同）和“充电电池的充电”（两个电动势方向不同）这两个等价模型，最后引出了变压器“同名端”或“异名端”的概念。

接下来，笔者打算拆解一个实际的变压器，准备仅通过肉眼观察判明该变压器绕组的“同名端”或“异名端”，如图3-33所示。

这是一个3842核心的48V电动车充电器所使用的开关变压器。3842是一款经典的单端反激他励PWM芯片，因此，该变压器也必然是一款反激变压器。在前面的内容中，我们已经介绍过“正激”和“反激”的概念，这里不再赘述。

该变压器共四个电感线圈，分五圈绕制。

这四个线圈分别是初级绕组（第三圈、第五圈），反馈绕组（第二圈），工作绕组（第一圈），主输出绕组（第四圈）。特别注意，反馈绕组、工作绕组、主输出绕组都是次级绕组，只是功能有所区别。

笔者规定，从左到右为观察方向。

我们先观察初级绕组。这是一个顺着观察方向逆时针缠绕在磁芯上的电感线圈，因此，它是一个逆时针电感。电感的起点和终点是在我们规定好观察方向根据其延伸方向后观察得出的，与该电感在变压器中的具体作用是没有任何关系的，这一点，请读者特别注意。

我们依次观察其他电感，明确其电感的类型（顺时针电感、逆时针电感）、起点、终点，并将其标注在实物图中。

在四个电感中，有三个是顺时针电感（初级绕组、反馈绕组、主输出绕组），有一个是逆时针电感（工作绕组）。

对于同为顺时针电感的初级绕组、反馈绕组、主输出绕组而言，其三个起点和三个终点就是“同名端”。对于类型不同的初级绕组与工作绕组而言，初级绕组的起点与工作绕组的终点就是“同名端”。

接下来，我们结合该变压器各个引脚的具体功能来验证我们的判断。

初级线圈的起点直通全桥正极（310V），当开关管由截止变为导通（励磁电流由小变大时）后，将产生起点为正、终点为负的感应电动势。在同一时刻，必然在三个次级绕组中产生相应的感应电动势。

对于工作绕组而言，其终点与初级绕组的起点为同名端。因此，工作绕组中会产生终点为正、起点为负的感应电动势。此时，外接在工作绕组起点的整流二极管处于反向偏置的状态，是截止的。由市电310V输入的电能会以磁场能的形式储存在变压器中。工作绕组并不会向下级电路输出电能。

对于反馈绕组而言，其起点与初级绕组的起点为同名端。因此，在反馈绕组中会产生起点为正、终点为负的感应电动势。此时，外接在反馈绕组终点的整流二极管处于反向偏置的状态，是截止的。由市电310V输入的电能会以磁场能的形式储存在变压器中。反馈绕组并不会向下级电路输出电能。

对于主输出绕组而言，其起点与初级绕组的起点为同名端。因此，在主输出绕组中会产生起点为正、终点为负的感应电动势。此时，外接在主输出绕组终点的整流二极管处于反向偏置的状态，是截止的。由市电310V输入的电能会以磁场能的形式储存在变压器中。主输出绕组并不会向下级电路输出电能。

总之，变压器的三个次级绕组实际上都处于截止的状态，变压器在充电（充能）。

当开关管由导通变为截止（励磁电流由大变小时）后，四个绕组中的感应电动势必将反向。这意味着外接在工作绕组起点的整流二极管、外接在反馈绕组终点的整流二极管、外接在主输出绕组终点的整流二极管将结束其反向偏置，因正向偏置而导通，对外输出电能。

3.6.5 变压器的结构

变压器是一种由磁芯和电感线圈构成的换能（电能—磁能—电能）元件。

变压器通常由以下几部分构成。

1．骨架

变压器的骨架通常由耐高温的塑料制成。它实际上起一个基础结构的作用，便于电感线圈的缠绕、磁芯的装配、绝缘胶带的缠绕、焊接引脚的布置及引出。

2．磁芯

变压器的磁芯通常由铁氧磁体或钴磁体制成。无论其为双E对接形还是EI对接形，磁芯都应该具有封闭环状回路结构，如图3-34所示。

这种封闭环状回路结构是由电生磁（电能转换为磁能）的效果所希望的：磁芯在物理上的环状回路结构有助于磁场回路的形成。换句话说，磁芯的这种物理结构，有利于电能向磁能的转换（更快）及储存（更多）过程。

3．电感线圈

电感线圈用铜丝（单根或多根）作为材质，铜丝外层已经用绝缘漆处理。在变压器中，所有的电感线圈（数量在大多数时会多于两个）都可按照电能的输入（从电源输入变压器）、输出（从变压器输出到负载）的方向被区分为两类。

一类是属于电能输入方向一侧的“初级线圈”，另一类是属于电能输出方向一侧“次级线圈”（即“负载线圈”）。

对于初级线圈来说，尽管在实物上通常由两段独立的铜丝分“最内”和“最外”两层分别缠绕而成，但从物理学的本质上看，其数量还是一个。对于次级线圈而言，其数量至少有一个，但是这个线圈也可以采用多段独立的铜丝分层缠绕而成。具有“中间抽头”的次级线圈就是通过这种缠绕工艺实现的。一个变压器可以有多个独立的次级线圈。

辅助变压器还具有用于反馈的“反馈线圈”，“反馈线圈”与“次级线圈”从本质上来说并没有任何区别。但是“反馈线圈”所驱动的并不是通常的负载。因此，一般都根据其功能的独特性（用于反馈），将“反馈线圈”单独归类。

综上所述，“初级线圈”和“次级线圈”是对变压器中线圈的一种抽象分类，彼此独立的次级线圈的数量，以及具体的次级线圈所具有的“中间抽头”的数量都需要具体问题具体分析。而“反馈线圈”则是一种用于反馈的特殊的“次级线圈”。

4．黄色绝缘胶带

变压器电感线圈使用的每一段铜丝，都是逐层单独缠绕在骨架上的，当缠绕完一段铜丝后，还需要使用黄色绝缘胶带覆盖缠绕，然后再缠绕下一段铜丝。通过黄色绝缘胶带的隔离，可使处于相对内层的铜丝与处于相对外层的铜丝彼此绝缘。

5．焊接引脚

可以通过变压器拥有的焊接引脚的数量及位置，以及焊接引脚上的铜丝数量，综合判断该变压器的引脚归属及分组。即哪些引脚属于初级绕组，哪些引脚属于次级绕组。

还可以使用带有相对测量功能的万用表的电阻挡，通过测量各引脚间真实电阻的阻值，来粗略判断其缠绕的匝数、位于外层还是内层，进一步明确其内部的物理缠绕详情。

3.6.6 ATX电源用变压器的种类及功能

读者应首先自己动手拆解若干ATX电源外壳以便观察、归纳实物ATX电源主板上所使用的变压器的数量及外观形态。通过观察和归纳后不难发现，ATX电源通常具有2个（一大一小）或3个（一大一中一小）大小不一的变压器。

ATX电源的功能是，将高压交流市电220V转换为多组低压直流输出供给计算机主板使用，ATX电源要实现上述功能，就必然具有从220V到低压的降压功能。因此，ATX电源必然具备某种以“降压”为其主要功能的电路。而说起降压（与升压一起，构成电压调制的两个方向），就不得不让人联想起最为常见的降压元件“变压器”。

换句话说，我们仅仅从单纯逻辑推理的角度出发，就能够得到降压型“变压器”，并且它很有可能会作为核心的降压元件而被应用到ATX电源中。实际上，无论是从电学原理，还是从换能性能、可靠性、生产成本、历史原因等多个方面的考虑，使用“变压器”作为降压元件，都是电源（包括但不仅限于ATX电源）的不二选择。我们在观察ATX电源电路板的过程中不难发现若干个变压器，有理由推断这些或大或小的变压器中应该就有一个是用于将交流市电220V转换为多组低压直流输出的核心降压元件。

接下来，我们再思考一个问题：众所周知，ATX电源是为主板供电的电源，那么ATX电源本身是否需要供电？如果需要供电，那么谁又为ATX电源供电？之所以提出这个看似无意义的问题，是因为在绝大多数情况下，我们都会忽略电源本身工作所需要的电源。

换句话说，对于不了解ATX电源底层工作原理的初学者而言，我们往往忽视ATX电源本身也包含有用电器的因素。将对ATX电源的认识提高到芯片级水平的过程，恰恰就是开始于建立起“电源的电源”的概念。在有了“电源的电源”的概念之后，我们才能进一步深入学习。

我们换一种表达方式再次强调这个问题。

我们都知道，任何电路的工作都离不开电源，在一切他励开关电源中，他励PWM的芯片也是需要某种供电的。所谓电源的电源，就是指为他励回路供电的电源。具体到ATX电源，它就是ATX电源中的辅助电源。总之，ATX电源实际上包括两个电源：一个是由他励源控制的主回路电源；另一个是为他励源供电的电源，即辅助电源。

通过观察和归纳后不难发现，ATX电源只有唯一的交流市电220V电源输入接口，因此，辅助电源一定也是以交流市电220V作为其电能来源的。那么，辅助电源的大概输出情况如何呢？这可以通过对其服务对象（他励源）的观察来明确。

我们以最常见的他励PWM芯片TL494（德州仪器产）为例，推测一下辅助电源的输出。其数据表中载明的供电电压如图3-35所示（数据表第3页）。

最小为直流7V，最大为直流40V，总之，这也是一个低压直流供电。可见，辅助电源与主回路一样，也需要实现一个降压的功能。与主回路一样，辅助电源也是使用变压器作为降压的核心元件的，笔者称之为“辅助（脉冲）变压器”。

在具有3个变压器的双管半桥拓扑ATX电源中，还有一个与辅助变压器大小接近的变压器。笔者将这个变压器命名为“驱动（脉冲）变压器”。驱动变压器是直接驱动开关管及主变压器进行换能的元件。

3.6.7 辅助变压器

如图3-36所示为某ATX电源辅助变压器实物图。我们将通过万用表实测及拆解，逐步明确此辅助变压器的物理结构。

辅助变压器的宽度介于主变压器与驱动脉冲变压器之间（“一大一中一小”中的“一中”）。

我们首先观察这个辅助变压器（EE19型），它是一个双列直插式引脚的变压器。

这个变压器的骨架本可容纳更多的焊接引脚，但有的焊接引脚并没有安装。而在已经安装的焊接引脚中，还有一个短脚（其他为可以插透主板的长脚）。

我们首先对其脚位自定义一个脚位序号，仅供方便在讲解时使用。

首先，我们使用万用表的二极管通断挡来判断这个变压器一共具有几个电感线圈。

一表笔接1脚，另一表笔依次划过剩余所有长短脚，发现接2、3脚时万用表蜂鸣，判定1、2、3脚为一组。

在剩余引脚中任意选定一脚（笔者选定的是4脚），接一表笔，另一表笔依次划过剩余所有长短脚，发现接7、8脚时万用表蜂鸣，判定4（短脚）、7、8脚为一组。

至此，还有剩余的两脚（5、6）未判断。

两表笔分别接5、6脚，万用表蜂鸣，判定5、6脚为一组。

综上所述，此辅助变压器实际上由3个独立的电感线圈构成。

接下来，我们将通过观察及测量电感线圈的真实电阻值这两个方法来分析1、2、3脚这组电感线圈，试图推测出其在骨架内部的缠绕情况。

通过观察，我们发现1脚上焊接有一股细铜丝、2脚上焊接有一细两粗共三股铜丝、3脚上焊接有两股粗铜丝。我们可以推测，1、2脚之间为一段独立的细铜丝，2、3脚之间为一段独立的两股粗铜丝，3脚为两段独立铜丝的公共接点。

然后，将万用表置于电阻挡并短接红、黑表笔调零（数字万用表的“相对测量”功能）以排除表笔部分电阻的干扰。一表笔接1脚，一表笔接2脚，万用表显示1、2脚之间的电阻为0.19Ω；一表笔接1脚，一表笔接3脚，万用表显示1、3脚之间的电阻为0.21Ω；一表笔接2脚，一表笔接3脚，万用表显示1、3脚之间的电阻为0.02Ω。我们发现，1、2脚之间的电阻加2、3脚之间的电阻正好等于1、3脚之间的电阻。

综合观察和实测的结果，我们可以判定1、2、3脚这组电感线圈由两段独立的铜丝绕制而成：1、2脚之间为一段（单股细铜丝），2、3脚之间为一段（双股粗铜丝）。

我们再利用同样的方法和过程来分析4、7、8脚这组电感线圈。

通过观察，我们发现4脚上焊接有两股细铜丝、7脚上焊接有一股细铜丝、8脚上焊接有两股细铜丝。不同于前文中1、2、3脚这组电感线圈，4、7、8脚这组线圈实际上有2+1+2共5个引出端。这是一个值得思考的问题，因为一段独立的铜丝只会有两个引出端，无论内部如何缠绕，其焊接在引脚上的引出端数量都应该是一个偶数而非奇数。而引出端呈现奇数的情况使我们无法仅通过观察来判断内部的绕制情况，同时也提示我们：此绕组在骨架内部肯定“另有乾坤”。

接下来测其电阻，发现4、7脚之间为1.69Ω；7、8脚之间为4.12Ω；4、8脚之间为2.43Ω。我们发现，4、7脚之间的电阻加4、8脚之间的电阻正好等于7、8脚之间的电阻。

综合观察和实测的结果，我们可以判定4、7脚这组电感线圈是由两段独立的铜丝绕制而成的：4、7脚之间为一段（单股细铜丝），4、8脚之间为一段（单股粗铜丝）。至此，我们已经明确了两段独立铜丝的4个引出端（4脚上2个、7脚上1个、8脚上1个），而8脚上实际有两股细铜丝，这说明8脚上还连接有其他暂时未知结构的铜丝（我们会通过下面的拆解来进一步说明）。

我们再利用同样的方法和过程来分析5、6脚这组电感线圈。

通过观察，我们发现5脚上焊接有一股细铜丝、6脚上焊接有一股细铜丝，实测其电阻为0.08Ω。

将黄色的绝缘胶带撕开，拆开或砸碎磁芯，暴露出变压器的柱状缠绕部分。再依次将柱状缠绕部分的黄色绝缘胶带撕开，逐层明确此辅助变压器的电感线圈，如图3-37所示。

第一层（最外层）：一个封闭的片状铜环，经铜线引出并焊接在8脚。

第二层：其阻值为2.43Ω，是辅助变压器初级线圈的“外圈”部分，100匝。

第三层：其阻值为0.08Ω，是辅助变压器正反馈线圈，7匝。

第四层：其阻值为0.19Ω，是辅助变压器次级线圈中的B+（其命名原因请参考4.2.1节）产生线圈，20匝。

第五层：其阻值为0.02Ω，是辅助变压器次级线圈中的5V产生的线圈，10匝。

第六层：其阻值为1.69Ω，是辅助变压器初级线圈的“内圈”部分，100匝。

第一层的片状铜环显然既不是辅助变压器的初级线圈，也不是辅助变压器的次级线圈，它处于变压器的最外层，显然是一个用于屏蔽的抗干扰结构。第二层和第六层分别是辅助变压器初级线圈的“外圈”和“内圈”部分。可见，初级线圈实际上是分为两部分缠绕的。外圈的铜丝要长于内圈的铜丝，因此其阻值稍大。第四层为B+，第五层为5VSB，两者首尾相连，粗细不同。首尾相连说明1、2、3脚这组电感线圈实际上是一个具有中间抽头的电感线圈，2脚即为其抽头，从整个感应电动势中截取出5V来。粗细不同，说明流经1、3脚的电流要小于流经2、3脚的电流，即5VSB的电流大于B+的电流。

可以根据电感线圈的匝数来计算B+及5VSB的输出电压，但计算结果均偏大，这是因为实际制造时需要考虑损耗的原因。

至此，我们已经完全明确了此辅助变压器的内部结构及绕制情况。

在图3-36中，笔者还标注了B+、5VSB、冷地、正反馈电路、全桥负、开关管D/C、全桥正等字样。这些都是笔者经过实际跑线之后对其含义（所外接的电路）的明确。在明确了辅助变压器的内部结构之后，还需要结合这些实际的定义进一步理解其工作原理，笔者将在本书的其他部分一一介绍。

3.6.8 脉冲驱动变压器

如图3-38所示为某ATX电源中的驱动变压器实物图。我们将通过万用表实测及拆解，逐步明确此辅助变压器的物理结构。

在有3个变压器的ATX电源中，它是中间的那一个，其宽度相对最小（“一大一中一小”中的“一小”）。

我们首先观察这个辅助变压器（EEL16型），它和3.6.7节中的辅助变压器相同，也是一个双列直插式引脚的变压器。

这个变压器的骨架也可容纳更多的焊接引脚，但有的焊接引脚并没有安装。

我们仍然首先对其脚位自定义一个脚位序号，仅供在讲解时方便使用。

首先，我们使用万用表的二极管通断挡来判断这个变压器一共具有几个电感线圈（参考3.6.7节中的内容）。

最终发现此驱动变压器实际上由3个独立的电感线圈构成：1、4、5脚为一组；2、3脚为一组；6、7、8脚为一组。

接下来，我们将通过观察及测量电感线圈的真实电阻这两个方法来分析这3组电感线圈，推测出其在骨架内部的缠绕情况。

通过观察，我们发现1脚上焊接有三股细铜丝、4脚上焊接有一股铜丝、5脚上焊接有四股细铜丝。我们可以推测，4、5脚之间为一段独立的细铜丝，1、5脚之间为一段独立的三股细铜丝，5脚为两段独立铜丝的公共接点。

实测电阻：4、5脚之间为0.09Ω；1、5脚之间为0.01Ω；1、4脚之间为0.10Ω。我们发现，4、5脚之间的电阻加1、5脚之间的电阻正好等于1、4脚之间的电阻。

综合观察和实测的结果，我们可以判定1、4、5脚这组电感线圈由两段独立的铜丝绕制而成：1、5脚之间为一段（三股细铜丝），4、5脚之间为一段（单股粗铜丝）。

我们再利用同样的方法和过程来分析2、3脚这组电感线圈和6、7、8脚这组电感线圈。下面仅列举实测的电阻数据：2、3脚之间为0.09Ω；6、7脚之间为0.36Ω；6、8脚之间为0.40Ω。

笔者不再用图示及文字标出各电感线圈的缠绕方式及各引脚定义，相关内容将在本书的其他部分介绍，请读者举一反三。

将黄色绝缘胶带撕开，拆开或砸碎磁芯，暴露出变压器的柱状缠绕部分。再依次将柱状缠绕部分的黄色绝缘胶带撕开，逐层明确此辅助变压器的电感线圈，如图3-39至图3-42所示。

第一层：1、5脚之间，三股铜丝，2匝。绕制方向为顺时针（判断绕制方向所依据的轴向方向为从带引脚一侧到不带引脚一侧）。

这个绕组使用了三股铜丝（其他绕组均为单股），这说明该绕组上的电流要远远大于其他绕组的电流。那么，流经此绕组的电流究竟是什么电流呢？这个电流实际上就是流经主开关管的电流，也就是流经主变压器初级绕组的电流。

第二层：4、5脚之间，单股、10匝。

第三层：2、3脚之间，10匝。

第四层：6、7脚及6、8脚之间，35匝。

通过拆解此脉冲驱动变压器，我们不难发现该变压器除1、5脚之间绕组的其他绕组的特点。

2、3脚之间的绕组和4、5脚之间的绕组彼此“很像”（都是单股，10匝），6、7脚及6、8脚之间的绕组就“更像”了（根本就是双股铜丝一起绕制后分别抽头）。

这4个绕组结构的相似性，也意味着其功能的相同。脉冲驱动变压器的作用是，将主回路的他励脉冲信号放大直接驱动主开关管。

脉冲变压器显然是通过2、3脚之间的绕组和4、5脚之间的绕组接收他励脉冲信号，经匝数更多的6、7脚及6、8脚之间的绕组输出更高的他励脉冲信号以驱动主开关管的。因此，2、3脚之间的绕组和4、5脚之间的绕组属于初级绕组，6、7脚之间的绕组和6、8脚之间的绕组则属于次级绕组。

请读者投入时间自学脉冲驱动变压器的拆解，以及摸索其外围电路，为驱动回路的学习做准备。

3.6.9 主变压器

如图3-43所示为某ATX电源中的驱动变压器实物图。我们将通过万用表实测及拆解，逐步明确此辅助变压器的物理结构。

主变压器是ATX电源中单体体积最大（“一大一中一小”中的“一大”）的元件，非常容易识别。

我们首先观察这个主变压器（EI33型），它与3.6.7节中的辅助变压器、3.6.8节中的脉冲变压器相同，也是一个双列直插式引脚的变压器。这个变压器的骨架本可容纳更多的焊接引脚，但有的焊接引脚并没有安装。而在已经安装的焊接引脚中，还有一个短脚（其他为可以插透主板的长脚）。笔者在实物图中已经自定义了脚位序号，仅供讲解时引用。

首先，我们使用万用表的二极管通断挡来判断这个变压器一共有几个电感线圈。最终发现此驱动变压器实际上由两个独立的电感线圈构成：1、2、3脚为一组；4、5、6、7、8、9、10脚为一组。并且，每组电感线圈各自占据变压器的一侧。

当我们再次试图用测量各引脚间真实电阻的方法明确其内部缠绕结构式时，却发现遇到了很大的困难：各引脚之间排列组合的方式过多，测得的数据量显著增多，造成分析困难；各引脚间的电阻并无显著性差异，不容易通过对电阻的计算分析进而推断出电感线圈的互连顺序。换句话说，利用测量各引脚间真实电阻的方法虽可以明确辅助变压器和驱动变压器的内部结构，但在运用到主变压器时，有很大的困难。

因此，我们直接拆解。将黄色绝缘胶带撕开，拆开或砸碎磁芯，暴露出变压器的柱状缠绕部分。再依次将柱状缠绕部分的黄色绝缘胶带撕开，逐层明确此辅助变压器的电感线圈，如图3-44至图3-50所示。

第一层：1、2脚之间，单股铜丝，20匝。拆卸时向外，缠绕时向内（起点为1脚）。

第二层：1脚，片状铜环，1匝。

第三层：4（黄）、9和7（红，带套管）、5脚之间，单股铜丝，4匝。拆卸时向外，缠绕时向内（起点为4、7脚）。

第四层：8、10脚之间，两股铜丝，3匝，拆卸时向外，缠绕时向内（起点为8脚）；9、10脚之间，单股铜丝，3匝，拆卸时向外，缠绕时向内（起点为9脚）。

第五层：6（双股）、7（单股）、10脚之间，三股铜丝，3匝，拆卸时向内，缠绕时向外（起点为6、7脚）。

第六层：1脚，片状铜环，1匝。

第七层：2、3脚之间，单股铜丝，20匝，拆卸时向外，缠绕时向内（起点为2脚）。

最后，介绍主变压器的规格（宽度）与输出功率的对应关系，优质主变压器的高度应该达到电源整体高度的一半以上，如表3-4所示。