开关电源各磁性元器件的分布参数

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。

一). 粉芯类1. 磁粉芯磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。

由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5~5微米），又被非磁性电绝缘膜物质隔开，因此，一方面可以隔绝涡流，材料适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有低导磁率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定。

主要用于高频电感。

磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。

常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯及铁硅铝粉芯三种。

磁芯的有效磁导率me及电感的计算公式为： me = DL/4N2S ´ 109其中： D为磁芯平均直径（cm），L为电感量（享），N为绕线匝数，S为磁芯有效截面积（cm2）。

(1). 铁粉芯常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成。

在粉芯中价格最低。

饱和磁感应强度值在1.4T左右；磁导率范围从22~100; 初始磁导率mi随频率的变化稳定性好；直流电流叠加性能好；但高频下损耗高。

(2). 坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯主要有钼坡莫合金粉芯(MPP)及高磁通量粉芯(High Flux)。

MPP是由81%Ni, 2%Mo, 及Fe粉构成。

主要特点是: 饱和磁感应强度值在7500Gs左右；磁导率范围大，从14~550; 在粉末磁芯中具有最低的损耗；温度稳定性极佳，广泛用于太空设备、露天设备等；磁致伸缩系数接近零，在不同的频率下工作时无噪声产生。

主要应用于300KHz以下的高品质因素Q滤波器、感应负载线圈、谐振电路、在对温度稳定性要求高的LC电路上常用、输出电感、功率因素补偿电路等, 在AC电路中常用, 粉芯中价格最贵。

高磁通粉芯HF是由50%Ni, 50%Fe粉构成。

主要特点是: 饱和磁感应强度值在15000Gs左右；磁导率范围从14~160; 在粉末磁芯中具有最高的磁感应强度，最高的直流偏压能力；磁芯体积小。

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。

电源磁芯尺寸功率全参数电源磁芯是电源变压器的重要组成部分，它承担着能量传递和磁通闭合的功能。

磁芯尺寸、功率和全参数对于电源的性能和效率有着重要的影响。

下面将详细介绍电源磁芯的尺寸、功率和全参数。

一、电源磁芯尺寸：电源磁芯的尺寸是指磁芯的外形尺寸、截面积和线圈匝数。

磁芯的外形尺寸一般由设计要求和空间限制决定，常见的形状有E型、EI型、U型、RM型等。

截面积决定了磁芯的磁导率和磁通容量，通常使用的磁芯材料有硅钢片、铁氧体等。

线圈匝数是根据设计要求和电源输出功率来确定的，它直接关系到磁芯的工作频率和电感系数。

二、电源磁芯功率：电源磁芯的功率是指它所能承载的最大输出功率。

功率的大小与磁芯的尺寸、材料和线圈匝数有关。

一般来说，功率越大，磁芯的尺寸越大，材料越好，线圈匝数越多。

功率的大小决定了磁芯的磁通密度和磁场强度，这直接影响到电源的效率和稳定性。

因此，在设计电源时需要根据所需的输出功率选择合适的磁芯功率。

三、电源磁芯全参数：电源磁芯的全参数包括磁芯的饱和磁感应强度、磁导率、损耗以及温升等。

饱和磁感应强度是指磁芯材料在磁场作用下达到饱和状态时的磁感应强度，它决定了磁芯的磁通容量和工作频率范围。

磁导率是指磁芯材料的磁导率，它决定了磁芯的磁导能力和磁路的效率。

损耗是指磁芯在工作过程中产生的磁滞损耗和涡流损耗，它影响到电源的效率和温升。

温升是指磁芯在工作过程中产生的热量，它决定了磁芯的散热能力和长期稳定性。

总结起来，电源磁芯的尺寸、功率和全参数是电源设计中需要考虑的重要因素。

合理选择磁芯的尺寸、功率和全参数，可以提高电源的效率和稳定性，满足设计要求。

因此，在设计电源时，需要根据实际需求和技术要求综合考虑这些因素，选择合适的磁芯。

开关电源电子元器件组成图解常见的计算机用电源的功能是将输入的交流市电(AC110V/220V)，经过隔离型交换式降压电路转换出各硬件所需的各种低压直流电：3.3V、5V、12V、-12V及提供计算机关闭时待命用的5V Standby(5VSB)。

所以电源内部同时具备了耐高压、大功率的组件以及处理低电压及控制信号的小功率组件。

电源转换流程为交流输入→EMI滤波电路→整流电路→功率因子修正电路(主动或是被动PFC)→功率级一次侧(高压侧)开关电路转换成脉流→主要变压器→功率级二次侧(低压侧)整流电路→电压调整电路(例如磁性放大电路或是DC-DC转换电路)→滤波(平滑输出涟波，由电感及电容组成)电路→电源管理电路监控输出。

以下从交流输入端EMI滤波电路常见的组件开始介绍。

交流电输入插座此为交流电从外部输入电源的第一道关卡，为了阻隔来自电力在线干扰，以及避免电源运作所产生的交换噪声经电力线往外散布干扰其它用电装置，都会于交流输入端安装一至二阶的EMI(电磁干扰)Filter(滤波器)，其功能就是一个低通滤波器，将交流电中所含高频的噪声旁路或是导向接地线，只让60Hz左右的波型通过。

上面照片中，中央为一体式EMI滤波器电源插座，滤波电路整个包于铁壳中，能更有效避免噪声外泄；右方的则是以小片电路板制作EMI滤波电路，通常使用于无足够深度安装一体式EMI滤波器的电源供应器，少了铁皮外壳多少会有噪声泄漏情形；而左边的插座上只加上Cx与Cy电容(稍后会介绍)，使用这类设计的电源，其EMI滤波电路通常需要做在主电路板上，若是主电路板上的EMI电路区空空如也，就代表该区组件被省略掉了。

目前使用12公分风扇的电源供应器内部空间都不太能塞下一体式EMI滤波器，所以大多采用照片左右两边的做法。

X电容(Cx，又称为跨接线路滤波电容)这是EMI滤波电路组成中，用来跨接火线(L)与中性线(N)间的电容，用途是消除来自电力线的低通常态噪声。

开关电源各磁性元器件的分布参数开关电源是一种将输入电压转换为所需要的输出电压和电流的电源电路，其核心是磁性元器件。

磁性元器件主要包括变压器、电感和电感转变器等。

这些磁性元器件的分布参数对开关电源的性能起着重要的影响。

本文将详细介绍开关电源各磁性元器件的分布参数。

一、变压器的分布参数：1. 漏感Llk：变压器的漏感是指在变压器的两个绕组间存在一定的自感现象，即绕组之间产生的磁通量不能完全经过另一个绕组。

漏感的大小与绕组的结构和绕组之间的磁场环境有关。

漏感的存在使得变压器的输出电压受到负载电流的影响。

2. 漏感阻抗Zlk：漏感阻抗是指变压器的漏感对交流电的阻抗性质。

漏感阻抗的大小与漏感Llk和频率有关。

漏感阻抗越大，对电流的阻抗性能越好，输出电压的稳定性越高。

3.互感Lm：互感是指变压器的两个绕组之间通过磁场而相互感应的现象。

互感的存在使得变压器实现电压转换，并将输入电压与输出电压隔离。

4.耦合系数k：耦合系数是指变压器的两个绕组之间的磁耦合程度。

耦合系数越大，两个绕组之间的互感越强，输出电压的稳定性越好。

二、电感的分布参数：1. 漏感Llk：电感的漏感是指在电感线圈中存在一定的自感现象。

漏感的大小与线圈的结构和线圈之间的磁场环境有关。

漏感的存在使得电感对交流电的阻抗性能增加。

2. 漏感阻抗Zlk：漏感阻抗是指电感的漏感对交流电的阻抗性质。

漏感阻抗的大小与漏感Llk和频率有关。

漏感阻抗越大，对电流的阻抗性能越好。

3.互感Lm：互感是指两个电感线圈之间通过磁场而相互感应的现象。

互感的存在使得电感实现电压转换，并将输入电压与输出电压隔离。

4.耦合系数k：耦合系数是指电感的两个线圈之间的磁耦合程度。

耦合系数越大，两个线圈之间的互感越强，输出电压的稳定性越好。

三、电感转变器的分布参数：1. 输入电感Lint：输入电感是指电感转变器的输入端的电感。

输入电感的大小与电感转变器的结构和输入端的磁场环境有关。

2. 输出电感Lout：输出电感是指电感转变器的输出端的电感。

“时钟频率”是控制IC芯片产生的时钟脉冲频率。

通常，开关频率与时钟频率相同，但不总是这样。

偶尔，控制IC芯片经分频获得低的开关频率。

特别将推挽IC控制芯片用于单端正激变换器，仅用两个开关驱动中的一个，保证最大占空度不超过50％。

在这种情况下，开关频率是时钟频率的一半通常发生混淆是推挽类拓扑。

推挽类（推挽，半桥和全桥）功率电路每个功率开关以1/2时钟频率驱动，电路的开关频率就是时钟频率。

变压器和单个功率开关和单个整流器都以“变压器频率f T”工作,它是开关频率的一半。

电路输出滤波工作在开关频率。

7.1.7 占空度占空度D定义为功率开关导通时间T on与开关周期T的比：D=T on/T。

在单端正激变换器中，这很容易明白。

但在双端双路交错正激和推挽类变换器中，时常发生混乱。

例如，双端双路交错正激变换器中，对于每一路，在输入电压最低U i min时最大占空度约为0.45，每路变压器在45％时间内传输功率，传输总功率的一半。

而对输出滤波电感占空度则为0.9。

在半桥电路工作于最低电压时，占空度接近90％（D=0.9）。

变压器在90％的时间传输功率，90％时间电压脉冲加在输入滤波器上等等。

但对于单个功率开关和单个整流器，总是交替导通，占空度仅45％。

输出滤波器可以看成D=0.5T on/0.5T=T on/T。

在整个电源设计中，应保持D的定义一致。

正激或推挽类变换器稳态时，当输入电压变化时，反馈控制电路根据输入电压的变化反比改变占空度D，以维持输出电压的稳定U o=U2’D。

U2’≈U i/n－滤波器输入电压，等于变压器次级电压减去整流二极管压降。

因此U T U DfnUfi oniso s==（7-1）式中f S=1/T－开关频率。

当输出电压恒定时，稳态情况下变压器线圈上的伏秒为常数，与电网电压和负载电流无关。

当输入电压最低（U i min）时，占空度最大，还要考虑到以下对最大占空度的限制：①根据输出电压调节范围，在输入电压最低时应保证输出最高电压。

单端反激式开关电源磁芯尺寸和类型的选择字体大小：大| 中| 小2008-08-28 12:53 - 阅读：6184 - 评论：2 徐丽红王佰营A、InternationalRectifier公司--56KHz输出功率推荐磁芯型号0---10WEFD15 SEF16 EF16 EPC17 EE19 EF(D)20 EPC25 EF(D)2510-20WEE19 EPC19 EF(D)20 EE,EI22 EF(D)25 EPC2520-30WEI25 EF(D)25 EPC25 EPC30 EF(D)30 ETD29 EER28(L)30-50WEI28 EER28(L) ETD29 EF(D)30 EER3550-70WEER28LETD34 EER35 ETD3970-100WETD34 EER35 ETD39 EER40 E21摘自InternationalRectifier,AN1018-“应用IRIS40xx系列单片集成开关IC开关电源的反激式变压器设计”B、ELYTONE公司型号输出功率（W）<5 5-10 10-20 20-50 50-100 100-200 200-500 500-1KEI EI12.5 EI16 EI19 EI25 EI40 EI50 EI60 -- EE EE13 EE16 EE19 EE25 EE40 EE42 EE55 EE65<5 5-10 10-20 20-50 50-100 100-200 200-500 500-1K EF EF12.6 EF16 EF20 EF25 EF30 EF32 -- --EFD -- EFD12 EFD15 EFD20 EFD25 EFD30 -- -- EPC -- EPC13 EPC17 EPC19 EPC25 EPC30 -- -- EER EER9.5 EER11 EER14.5 EER28 EER35 EER42 EER49 -- ETD -- -- ETD29 ETD34 ETD44 ETD49 ETD54 --EP EP10 EP13 EP17 EP20 -- -- -- -- RM RM4 RM5 RM6 RM10 RM12 RM14 -- -- POT POT1107 POT1408 POT1811 POT2213 POT3019 POT3622 POT4229 -- PQ -- -- -- PQ2016 PQ2625 PQ3230 PQ3535 PQ4040 EC -- -- -- -- -- EC35 EC41 EC70 摘自PowerTransformers OFF-LINE Switch ModeAPPLICATION NOTES"Converter circuitas a function of S.M.P.S. output voltage (Vo) and output power (Po)"C、Fairchild Semiconductor公司--67KHzOutput Power EIcore EE core EPC core EER core0-10W EI12.5 EE8 EPC10EI16 EE10 EPC13EI19 EE13 EPC17EE1610-20W EI22 EE19 EPC1920-30W EI25 EE22 EPC25 EER25.530-50W EI28 EE25 EPC30 EER28EI3050-70W EI35 EE30 EER28L70-100W EI40 EE35 EER35100-150W EI50 EE40 EER40EER42150-200W EI60 EE50 EER49EE60The core quickselection table For universal input range, fs=67kHz and 12V singleoutput摘自：Application Note AN4140Transformer Design Consideration for off-lineFlybackTMConverters using Fairchild Power Switch (FPS)D、单端反激式变压器磁芯的选择公式Ve =5555 * P / f式中：Ve——为磁芯的体积：Ve=Ae*Le；单位为：毫米立方；P——为输入功率；单位为：瓦；f——为开关频率；单位为：千赫兹；本公式假设：Bm=0.3T, Lg/Le=0.5%=气隙长度/磁芯等效长度；如果Lg/Le=气隙长度/磁芯等效长度=1%时，又如何计算呢？（请考虑）输出功率、磁芯截面积和开关频率决定气隙，因为在反激式开关电源中气隙的体积大小决定储能的多少，频率决定能量传输的快慢；如：EI25Ve=2050mm³，Ae=42平方毫米，Le=49.4mm；f=40KHz；η=0.75；Lg= 0.005*49.4 = 0.247mm ---气隙长度Pin =Ve*F/5555 = 2050*40/5555 = 14.76W；Pout =η*Pin= 0.75 * 14.76 = 11.07W;若：f=100KHz 则：Pout = 11.07W *(100/40) = 27.675W;反激式开关电源设计的思考一字体大小：大| 中| 小2007-03-01 11:00 - 阅读：4593 - 评论：3反激式开关电源设计的思考一王佰营徐丽红对一般变压器而言，原边绕组的电流由两部分组成，一部分是负载电流分量，它的大小与副边负载有关；当副边电流加大时，原边负载电流分量也增加，以抵消副边电流的作用。