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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。
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。
磁性元件在开关电源中作用
磁性元件在开关电源变化中是必需的器件，广泛用于高频振荡变压器、低通滤波电感、电源输出平波电抗器，还有有源功率因数校正升压电感，所有这些作用功能，对变换器的性能质量起着至关重要的作用。
当磁心用于变压器时，它起的的作用如下：
1. 电磁耦合。
传递电能，有了磁心，电能传输畅通。
2. 实施电气隔离。
变压器的一次电压和二次电压是不同电位的电压，有了它，保证变压器在变换电路中的安全，起着高低电压隔离的目的。
3. 按使用需要，改变变压器电压比，达到电压升降。
4. 由于磁性元件作用，变压器二次大电流整流经过移相，使二次电流输出纹波电压减小。
抑制尖峰电压，保护开关管免受冲击电流而损坏。
所以常说，磁性变压器有限流作用。
5. 开关电源的电子开关，通过充电放电向变压器二次侧不停地传输电能，在这过程中时由于它具有储能，才能释能，储能的大小与磁性元件的饱和磁感应强度以及初始磁导率成正比。
另外，由于变压器的一次和二次侧存在电感，很方便地与电路电容构成谐振，谐振波一方面传递电能，改变电流或电压的方向。
但是磁性元件的工况性能是不易完全掌握的，它不像其他电子元器件那样容易测量选择，繁琐的技术数据，分散性、易变性很大的参数，将使开关电源制造商挑选者无从下手。
因此，只能通过生产实验、科学设计，才能发挥磁性元件最大作用功能。
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 ）。
