开关电源中的磁性元件
第二部分开关电源中磁元件
第二部分 开关电源中磁元件第五章 变换器中磁芯的工作要求在功率变换中，应用了多种磁性元件：如脉冲、功率变压器，交、直流滤波电感，交、直流互感器，EMC 滤波电感以及谐振和缓冲吸收电感等。
但就磁芯工作状态主要分为四种，其代表性功率电路—Buck 变换器滤波电感、正激、推挽变压器和磁放大器中磁元件磁芯就属于这四种工作状态.5.1 Ⅰ类工作状态－Buck 变换器滤波电感磁芯图5.1(a)所示为输出与输入共地的Buck 变换器的基本电路。
输出由R 1和R 2取样，与基准U r 比较、误差放大，然后与三角波比较，输出PWM 信号，去控制功率开关S 的导通时间。
假设电路进入稳态，U o 为常数，L 为线性电感。
开关S 闭合时，输入电压U i 与输出电压U o 之差加到电感L 上(图5.1(b))，续流二极管D 截止，电感中电流线性增长(图(d))，直至开关打开前，电感存储能量。
当开关打开时，电感中电流趋向减少，电感产生一个反向感应电势，试图维持原电流流通方向，迫使二极管D 导通，将电感中的能量传输到输出电容和负载，电感放出能量，电感电流线性下降。
电感电流增加量（ΔI =(U i - U o )T on /L ）应当等于减少量（U o T of /L ）,由此得到U o ＝T on U i /T =DU i 。
通过改变功率开关的占空度D ，就可以控制每个周期导通期间存储在电感中的能量，从而控制了变换器的输出电压。
图 5.1(d)中，电感电流在整个周期内流通（可以过零或反向），电感这种状态称为电流连续状态。
电感电流的平均值，即纹波的中心值等于输出电流I o 。
当输出电流下降时，电感电流的变化率没有改变，斜坡的中心值在下降。
当输出电流达到变化量的一半时，斜坡的起始端达到零(图5.1(d)中虚线三角波)。
这种工作状态称为电感电流临界连续。
如果再继续减少负载电流，即增大负载电阻，输出电压将要增加。
负反馈电路使得功率开关导通时间减少，以保持输出电压稳定。
开关电源磁芯主要参数
第5章开关电源磁芯主要参数5.1 概述5.1.1 在开关电源中磁性元件的作用这里讨论的磁性元件是指绕组和磁心。
绕组可以是一个绕组，也可以是两个或多个绕组。
它是储能、转换和/或隔离所必备的元件，常把它作为变压器或电感器使用。
作为变压器用，其作用是：电气隔离；变比不同，达到电压升、降；大功率整流副边相移不同，有利于纹波系数减小；磁耦合传送能量；测量电压、电流。
作为电感器用，其作用是：储能、平波、滤波；抑制尖峰电压或电流，保护易受电压、电流损坏的电子元件；与电容器构成谐振，产生方向交变的电压或电流。
5.1.2 掌握磁性元件对设计的重要意义磁性元件是开关变换器中必备的元件，但又不易透彻掌握其工作情况（包括磁材料特性的非线性，特性与温度、频率、气隙的依赖性和不易测量性）。
在选用磁性元件时，不像电子元件可以有现成品选择。
为何磁性元件绝大多数都要自行设计呢？主要是变压器和电感器涉及的参数太多，例如：电压、电流、频率、温度、能量、电感量、变比、漏电感、磁材料参数、铜损耗、铁损耗等等。
磁材料参数测量困难，也增加了人们的困惑感。
就以Magnetics公司生产的其中一种MPP铁心材料来说，它有10种μ值，26种尺寸，能在5种温升限额下稳定工作。
这样，便有10×26×5= 1300种组合，再加上前述电压、电流等电参数不同额定值的组合，将有不计其数的规格，厂家为用户备好现货是不可能的。
果真有现货供应，介绍磁元件的特性、参数、使用条件的数据会非常繁琐，也将使挑选者无从下手。
因此，绝大多数磁元件要自行设计或提供参数委托设计、加工。
本章将介绍磁元件的一般特性，针对使用介绍设计方法。
结合线性的具体形式的设计方法，以后还将进一步的介绍。
5.1.3 磁性材料基本特性的描述磁性材料的特性首先用B-H平面上的一条磁化曲线来描述。
以μ表示B/H，数学上称为斜率，表示为tanθ=B/h；电工上称为磁导率，如图5.1所示。
开关电源中磁性元器件概要
开关电源中磁性元器件几乎所有电源电路中，都离不开磁性元器件 电感器或变压器。
例如在输入和输出端采用电感滤除开关波形的谐波；在谐振变换器中用电感与电容产生谐振以获得正弦波电压和电流；在缓冲电路中，用电感限制功率器件电流变化率；在升压式变换器中，储能和传输能量；有时还用电感限制电路的瞬态电流等。
而变压器用来将两个系统之间电气隔离，电压或阻抗变换，或产生相位移(3 相 Δ—Y 变换)，存储和传输能量(反激变压器)，以及电压和电流检测(电压和电流互感器)。
可以说磁性元件是电力电子技术最重要的组成部分之一。
磁性元器件—电感器和变压器与其他电气元件不同，使用者很难采购到符合自己要求的电感和变压器。
对于工业产品，应当有一个在规定范围内通用的规范化的参数，这对磁性元件来说是非常困难的。
而表征磁性元件的大多数参数(电感量，电压，电流，处理能量，频率，匝比，漏感，损耗)对制造商是无所适从的。
相反，具体设计一个磁性元件在满足电气性能条件下，可综合考虑成本，体积，重量和制造的困难程度，在一定的条件下可获得较满意的结果。
由于很难从市场上购得标准的磁性元器件，开关电源设计工作的大部分就是磁性元件的设计。
有经验的开关电源设计者深知，开关电源设计的成败在很大程度上取决于磁性元件的正确设计和制作。
高频变压器和电感固有的寄生参数，引起电路中各色各样的问题，例如高损耗、必须用缓冲或箝位电路处理的高电压尖峰、多路输出之间交叉调节性能差、输出或输入噪声耦合和占空度范围限制等等，对初步进入开关电源领域的工程师往往感到手足无措。
磁性元件的分析和设计比电路设计复杂得多，要直接得到唯一的答案是困难的。
因为要涉及到许多因素，因此设计结果绝不是唯一合理的。
例如，不允许超过某一定体积，有几个用不同材料的设计可以满足要求，但如果进一步要求成本最低，则限制了设计的选择范围。
因此最优问题是多目标的，相对的。
或许是最小的体积，最低成本，或是最高效率等等。
最终的解决方案与主观因素、设计者经验和市场供应情况有关。
开关电源使用的磁性器件中磁芯的选用及设计
开关电源使用的磁性器件中磁芯的选用及设计开关电源中使用的磁性器件较多，其中常用的软磁器件有：作为开关电源核心器件的主变压器(高频功率变压器)、共模扼流圈、高频磁放大器、滤波阻流圈、尖峰信号抑制器等。
不同的器件对材料的性能要求各不相同。
(一)、高频功率变压器 变压器铁芯的大小取决于输出功率和温升等。
变压器的设计公式如下： P=KfNBSI×10-6T=hcPc+hWPW 其中，P为电功率;K为与波形有关的系数;f为频率;N为匝数;S为铁芯面积; B为工作磁感;I为电流;T为温升;Pc为铁损;PW为铜损;hc和hW为由实验确定的系数。
由以上公式可以看出：高的工作磁感B可以得到大的输出功率或减少体积重量。
但B值的增加受到材料的Bs值的限制。
而频率f可以提高几个数量级，从而有可能使体积重量显着减小。
而低的铁芯损耗可以降低温升，温升反过来又影响使用频率和工作磁感的选取。
一般来说，开关电源对材料的主要要求是：尽量低的高频损耗、足够高的饱和磁感、高的磁导率、足够高的居里温度和好的温度稳定性，有些用途要求较高的矩形比，对应力等不敏感、稳定性好，价格低。
单端式变压器因为铁芯工作在磁滞回线的第一象限，对材料磁性的要求有别于前述主变压器。
它实际上是一只单端脉冲变压器，因而要求具有大的B=Bm-Br，即磁感Bm和剩磁Br之差要大; 同时要求高的脉冲磁导率。
特别是对于单端反激式开关主变压器，或称储能变压器，要考虑储能要求。
线圈储能的多少取决于两个因素：一个是材料的工作磁感Bm值或电感量L，另一个是工作磁场Hm或工作电流I，储能W=1/2LI2。
这就要求材料有。
开关电源中的磁性元
变压器设计参数
设计变压器时，有两个重要参数，一个是窗口面积，它必须保证能够使导线绕满，并且损耗最小。第二个参数是磁芯的功率输出能力。这两个参数的直接关系式为： Pout=（1.16 Bmax·f·d·Ae·Ac）105 公式中，Pout：磁芯的输出功率，W； Bmax：最大磁通密度，T； f ：变压器的工作频率,Hz； d：导线的载流密度，A/m2 Ae：磁芯的有效截面积，cm2； Ac：磁芯的窗口面积，cm2
铁氧体化学分子为MFe2O4，这里的M代表：锰、镍、锌、铜等二价金属离子
铁氧体材料说明
高频电源变压器的设计原则
高频电源变压器作为一种产品，自然带有商品的属性，因此高频电源变压器的设计原则和其他商品一样，是在具体使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。有时可能偏重性能和效率，有时可能偏重价格和成本。现在，轻、薄、短、小，成为高频电源的发展方向，是强调降低成本。其中成为一大难点的高频电源变压器，更需要在这方面下功夫。所以在高频电源变压器的“设计要点”一文中，只谈性能，不谈成本，不能不说是一大缺憾，如果能认真考虑一下高频电源变压器的设计原则，追求更好的性能价格比，传送不到10VA的单片开关电源高频变压器，应当设计出更轻、薄、短、小的方案来。不谈成本，市场的价值规律是无情的！许多性能好的产品，往往由于价格不能为市场接受而遭冷落和淘汰。往往一种新产品最后被成本否决。一些“节能不节钱”的产品为什么在市场上推广不开值得大家深思。
变压器和半导体开关器件，整流器件，电容器一起，称为电源装置中的4大主要元器件。根据在电源装置中的作用，变压器可以分为：
01
起电压和功率变换作用的电源变压器，功率变压器，整流变压器，逆变变压器，开关变压器，作用的宽带变压器，声频变压器，中周变压器；
开关电源中的高频磁元件设计
(2)初始磁导率i
μm
就是磁性材料得初始磁化 μi
曲线始端磁导率得极限值,即
H
i
1
0
lim
H 0
B H
12
4、1 磁性材料得概述
(3)有效磁导率r
在闭合磁路中,或多或多或少地存在着气隙,若气隙 很小可以忽略,则可以用有效磁导率来表征磁芯得导磁 能力。
e
L
4N
2
l Ae
107
L —— 线圈得自感量(mH) N——线圈匝数 Ae ——磁芯截面积(mm2)
磁滞现象
磁感应强度B 得改变滞 后于磁场强度H 得现象称 为磁滞现象。
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4、1 磁性材料得概述
磁性材料得基本特性
• 磁感应强度 B (磁通密度)
• 表征磁场中某一点得磁性强弱和方向得矢量 B F IL
方向:左手定则 单位:特斯拉( T)、 高斯(GS),1 GS =10-4 T
8
4、1 磁性材料得概述
频率越高,损耗功率越大。 在工作频率一定时,降低矫顽力可有效降低磁滞损耗。 磁感应强度摆幅越大,包围面积越大,损耗也越大。
17
4、1 磁性材料得概述
• 涡流损耗
• 就是交变磁场在磁芯中产生环流引起得欧姆损耗。
PW
1
6r
2d
2
BW2
f
2
d —— 密度,单位体积材料得质量
r —— 磁芯得电阻率
注:
涡流损耗取决于材料得截面尺寸和电阻率。 在工作频率一定时,减小磁性材料厚度及提高其电阻率可减小 涡流损耗。 为减少涡流损耗,可将低电阻率得磁合金材料碾轧成薄带,用相 互绝缘得n 片薄带叠成相同截面积磁芯代替整块磁芯。
ab段就是上升段,不可逆
开关电源中的磁性元
根据电源转换需求，设计变压器 的线圈匝数、绕组方式、铁芯尺 寸等参数，以实现电压和电流的
转换。
电感器设计
根据滤波和储能需求，设计电感器 的线圈匝数、绕组方式、磁芯尺寸 等参数，以实现电流的滤波和储能。
互感器设计
根据信号传输需求，设计互感器的 线圈匝数、绕组方式、磁芯尺寸等 参数，以实现电压和电流的测量和 传输。
磁性元件面临的挑战
高温环境
随着开关电源工作温度的升高，磁性元件需要具备更高的耐热性能 和稳定性，防止高温下性能下降或失效。
电磁干扰
开关电源中的磁性元件会产生电磁干扰，对周围电路和设备产生影 响，需要采取有效的电磁屏蔽和噪声抑制措施。
可靠性问题
在高频、高温和复杂环境下，磁性元件的可靠性面临挑战，需要加 强元件的材料、结构和工艺等方面的研究。
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未来磁性元件的研究方向
新材料研究
探索新型的磁性材料，如纳米材料、高磁导率材 料等，以提高磁性元件的性能和适应性。
集成化研究
研究磁性元件的集成化技术，实现多功能的集成 和优化，提高开关电源的整体性能。
智能化研究
研究磁性元件的智能化技术，实现自适应调节和 控制，提高开关电源的智能化水平。
THANKS FOR WATCHING
在开关电源中，磁性元件通常用于实现电压和电流的转换、储能和控制等功能，是开关电源的重要组成部分。
磁性元件的种类
变压器
用于实现电压和电流的转换，通常由两个或多个线圈 绕在磁芯上组成。
电感器
用于实现储能和控制，通常由线圈绕在磁芯上组成。
磁性材料
用于制造磁芯，常用的磁性材料有铁氧体、钕铁硼等。
磁性元件在开关电源中的作用
磁性元件的热设计
开关电源中的磁元件和功率开关概论
《开关电源中的磁元件和功率开关概论》磁元件和功率开关器件是开关电源中最主要的两种功率部件，它们会直接影响开关电源的稳态指标。
磁元件是由磁芯和绕组所组成的，它需要电源开发人员自行设计和制作，通常可根据一定的设计规范，按所选的电路结构、技术指标及工作频率设计出相关的参数，并制作出所要求的磁元件；功率开关则由专门的器件公司研制，电源开发人员可根据设计要求和所选的电路拓扑，对其进行正确选择和使用即可。
1：磁元件和功率开关的重要性图1是双输出AC/DC开关电源的电路原理图。
它有输入EMI滤波，Boost PFC，双正激DC-DC，辅助电源和相应的控制电路组成。
在这个原理图上，共有十个磁元件（红色标注），由于辅助电源中还有一个功率变压器、隔离驱动中还有一个驱动变压器，所以图1这种双输出AC/DC开关电源中的磁元件一共有十二个；图中蓝色标注的是功率器件，也有十二个，再加上辅助电源中（反激变换器）的两个，一共有十四个。
不同的开关电源，其组成会有所不同，一个大功率AC/DC单输出开关电源的典型结构框图可用图2表示。
它有绿色的功率部分、蓝色的主控部分和红色的保护部分组成。
当功率变小时，为了节省成本，通常不用独立的辅助电源、部分保护功能也会被省掉。
但主功率部分的结构基本上不会发生太大的变化，所以在一个开关电源产品中，最为关键的功率部件就是磁元件和功率器件。
其中磁元件，因为涉及的面很广，如EMI电感、PFC电感、直流滤波电感、谐振电感、功率变压器、电流互感器、驱动变压器、磁放大器等，所以了解它们的原理、掌握它们的设计和制作方法，对于开关电源的性能而言是非常重要的。
图3是一个开关电源样品的照片，从该照片可以看出，磁元件、电容元件和带散热器的功率器件在开关电源产品中各占有1/3左右的空间，所以开关电源的体积大小，也主要取决于这三个部分，一般情况下通过选择速度快、通态电阻小的MOSFET和选择正向压降小、反向恢复时间短的二极管，可使开关电源在效率不变，甚至提高的情况下，其开关频率做得更高，从而使磁元件和电容元件的体积减小，结果可使开关电源做得更小。
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安森美半导体 Magnetics in Switched-Mode Power Supplies 开关电源中的磁性元件Outline 纲要Block Diagram of a Typical AC-DC Power Supply 一个典型的交流－直流电源的框图 Specification of the Power Supply 电源的技术规格 Key Magnetic Elements in a Power Supply 电源中的关键磁性元件 Review of Magnetic Concepts 磁概念的回顾 Magnetic Materials 磁性材料 Inductors and Transformers 电感和变压器 References 参考文献Block Diagram of an AC-DC Power Supply 交流－直流电源框图Input Filter 输入滤波器 Rectifier 整流器 PFC 功率因数AC Input 交流 输入Power Stage 原边电源TransFormer 变压器Output Circuits 输出电路DC Outputs (to loads) 直流输出 （至负载）Specifications (Abbreviated) 技术规格（精简版）100-Watt Three-Output Power Supply 100瓦3输出电源Input Voltage: 输入电压： Input Current: 输入电流： Input Harmonics: 输入谐波： Hold-up Time: 保持时间： Inrush Current: 浪涌电流： Outputs: 输出：OUTPUT VOLTAGE (V) 输出电压(v) 5 3.3 1290 – 264 Vac, 47-63 Hz 90－264V交流，47－63Hz 2 A maximum. 最大2A。
Meets IEC1000-3-2 A14 for all load conditions. 在所有负载条件下均符合IEC1000-3-2 A14。
20 ms minimum. 最少20ms。
40 A peak at 264 V (cold start) 在264V时40A峰值（冷启动）OUTPUT CURRENT (A) 输出电流(v) MIN.最小值 MAX.最大值 1.5 10 0.3 5 0.3 3 TOTAL REGULATION 总调整率 2.0% 2.0% 2.0%RIPPLE (mV pp) 纹波(mV pp) 50 50 100Specifications (cont’d.) 技术规格（接上）Efficiency: 效率： Temperature: 温度： 75% minimum at full load, 120 Vac input 120V交流输入，满载时最小75％ Operating: See derating curve below 工作温度：见下面的降额曲线– Storage储存100 W-40 oC to +85 oC -40 oC 至 +85 oC200 LFM FORCED AIR COOLING80 W200LFM强制风冷NATURAL CONVECTION COOLING 自然对流冷却50 W 40 W0 oC10 oC20 oC30 oC40 oC50 oC60 oC70 oCTemperature Derating 温度降额Functional Block Diagram 功能框图输入滤波器L 火线 G 大地 N 中线 Power Stage PFC PFC Contro PFC控制l Control Input Filter Rectifier整流器PFC+ Bus Bus ++母线+ Bus Return + Bus + 母线返回 Return原边电源变压器Xfmr输出电路Output Circuits + 12 V, 3 A -+ Bus + 母线+ 5 V, 10 A PWM Control PWMControl PWM控制+ Bus Return + Bus BUS返回 Return+ 3.3 V, 5 A Mag Mag Amp Amp Reset 磁放大器复位 ResetTransformer 变压器Xfmr变压器CR2 CR3 C5L3a + 12 V, 3 A L3b + C6 5 V, 10 A -+ Bus + 母线CR4 CR5Q2+ Bus Return + 母线返回In forward converters, as in most topologies, the transformer simply transmits energy from primary to secondary, with no intent of energy storage. 在正激变换器中，如同在大多数拓扑结构中一样，变压器只是简单的将 能量从初级传递到次级而不储存能量。
Core area must support the flux, and window area must accommodate the current. => Area product. 磁心截面积必须满足磁通量，窗口面积必须与电流相适应。
=>AP值。
Output Circuits 输出电路Popular configuration for these voltages---two secondaries, with a lower voltage output derived from the 5 V output using a mag amp postregulator. 输出电压的典型配置——两个次 级，带有一个由5V输出进行磁放 大器后调整导出的较低的电压输 出。
CR2 From 12 V secondary 来自12V次级 From 5 V secondary 来自15V次级 SR1 CR8 CR7 Mag Mag Amp Amp Reset 磁放大器复位 Reset CR3 CR4 CR5 CR6L3a + C5 L3b + C6 L4 + C7 3.3 V, 5 A 5 V, 10 A 12 V, 3 A -Feedback to primary PWM is usually from the 5 V output, leaving the +12 V output quasi-regulated. 至初级PWM的反馈通常来自5V输出，而＋12V输出为准稳压输出。
Leakage Current is Affected by the Transformer 泄漏电流受变压器的影响Without insulation in the appliance, the user provides a path for the electrical current to return to ground! Even with insulation, some small leakage current flows. 如果电器没有绝缘，则用户便为电流提供了一个流回地面的路径！即使绝缘 ，也会有少量的泄漏电流。
The dotted line shows the “third wire” ground, not present in 2-wire (“Class 2”) appliances. 虚线表示“第三线”接地，在2线（“第2类”）电器中是没有的。
Leakage current specifications influence the design of the input filter, as the bypass (“Y”) capacitors conduct current from the line to ground. 泄漏电流的规格会影响输入滤波器的设计，因为旁路（“Y”）电容将电流由火 线导入大地。
Nurse(CPR Trained) 护士（受过CPR培训的）Victim 用户Power Box (circuit breakers) 电源箱（断路器）Power From Utility 来自公共电网的电源120 VacGround 大地Note the polarity dots. 注意带点的极性。
– Outputs conduct while Q2 is on. 当Q2导通时输出导通。
Xfmr CR2 L3a + – Secondary Vpeaks = +Bus • Ns/Np 12 V, 3 A C5 次级Vpeaks = +Bus • Ns/Np CR3 CR4 L3b Note the coupled output choke, L3. + Bus + 注意输出耦合扼流圈，L3。
5 V, 10 A C6 CR5 Q2 – Windings must have same turns ratios as transformer, which is the same as + Bus output voltages plus diode drops of Return CR3 and CR5. – 绕组的匝数比必须与变压器相同，即为 输出电压加上CR3和CR5的二极管压降 。
With output chokes in continuous conduction, each output voltage is the average of its secondary voltage (neglecting diode drops). 输出扼流圈在连续导电的情况下，每个输出电压等于次级电压的平均值（忽略二极管 压降）。
Therefore, each output voltage is its secondary peak voltage times the duty ratio of the primary bus voltage, +Bus, (neglecting diode drops and Q2’s ON voltage). 因此，每个输出电压等于它的次级峰值电压乘以初级母线电压的负荷比，＋Bus（忽 略二极管压降和Q2的导通电压）。
Transformer (cont’d) 变压器（接上）Review of Some Magnetic Concepts 磁概念的回顾Units used in the design of magnetic components 磁性元件设计中用到的单位 Current and magnetic flux 电流和磁通量 Characteristics of magnetic materials 磁性材料的特点 Faraday’s Law (the “transformer equation”) 法拉第定律（“变压器方程”）Units and Their Symbols 单位及其符号Symbol符号 H B µ F φ R P I L N Description说明 field strength 磁场强度 flux density 磁通密度 Permeability 磁导率 magnetomotive force 磁通势 Flux 磁通量 Reluctance 磁阻 Permeance 磁导 Current 电流 Inductance 电感 winding turns 绕组匝数 SI Units SI单位 A-t/m tesla 特斯拉(T) T-m/A-t2 A-t weber/t 韦伯/t (Wb/t) A-t2/Wb henry/t2 享利/t2 ampere 安培(A) henry 享利(H) turn 匝数(t)Note: Units named for famous people are not capitalized (ampere, henry, volt), but their symbols are (A, H, V). 注意：以人名命名的单位不用大写（安培 ampere，亨利henry，伏特 volt ），但其符号必须大写（ A，H，V ）。