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开关电源工程化实用设计指南开关电源是一种非常重要的电力转换设备，它可以将输入的直流电压转换为输出的交流电压，从而满足各种电子设备的供电需求。
开关电源的工程化实用设计是一项涉及到多个领域的技术工作，包括电路设计、磁性元件设计、功率转换器设计、控制器设计和可靠性设计等。
下面将介绍开关电源的工程化实用设计指南。
一、电路设计开关电源的电路设计是整个设计的核心，也是最关键的一步。
在电路设计中，需要考虑以下几个方面的因素：输入和输出电压：开关电源的输入和输出电压需要根据电子设备的实际需求来确定。
在输入电压方面，需要考虑到电网电压的波动和噪声等因素，确保开关电源能够稳定工作。
在输出电压方面，需要根据电子设备的功率和负载特性来进行设计，确保输出的电压能够满足电子设备的供电需求。
功率容量：开关电源的功率容量需要根据电子设备的功率需求来确定。
在确定功率容量时，需要考虑到开关电源的最大负载和可能出现的峰值负载等因素，确保开关电源的功率容量足够且不会出现过载或损坏的情况。
电路拓扑：开关电源的电路拓扑是指其基本电路结构。
根据不同的需求，可以选择不同的电路拓扑来进行设计。
常用的电路拓扑包括BUCK型、BOOST型、BUCK-BOOST型等，需要根据实际情况来选择合适的电路拓扑。
控制方式：开关电源的控制方式是指如何控制开关管的导通和关断，以达到稳定输出电压的目的。
常用的控制方式包括脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和电流模式控制等，需要根据实际情况来选择合适的控制方式。
二、磁性元件设计开关电源中的磁性元件主要包括电感和变压器，它们在功率转换器中起到重要的作用。
在磁性元件设计中，需要考虑以下几个方面的因素：磁芯材料：磁芯材料的选择是磁性元件设计的关键。
常用的磁芯材料包括铁氧体、坡莫合金和非晶合金等，需要根据实际情况来选择合适的磁芯材料。
线圈设计：线圈设计是磁性元件设计的另一个关键因素。
在电感设计中，需要考虑到线圈的匝数、线径和绕制方式等因素，以确保电感能够满足开关电源的负载需求。
目录引言 (1)1 概述 (2)1.1 基本公式及概念 (2)1.2 一个简单电磁铁产品的结构图 (6)1.3 电磁铁的结构形式 (7)2直流电磁铁的设计要求 (9)3 直流电磁铁的设计与计算 (10)3.1 电磁铁设计点的选择 (10)3.2选择电磁铁的结构形式 (11)3.2.1用结构因数选择电磁铁的结构形式 (11)3.3 直流电磁铁的初步设计 (12)3.3.1 决定铁心半径和极靴半径 (12)3.3.2 计算线圈磁通势 (13)3.3.3 计算线圈高度及厚度 (14)3.3.4计算线圈导线直径及匝数 (16)3.4 计算极靴、衔铁和铁轭的尺寸 (16)3.5 电磁铁草图 (18)4 电磁铁性能验算 (19)5结论 (22)心得体会 (23)参考文献 (24)引言电磁铁是一种执行元件，它输入的是电能，输出的是机械能。
电能和机械能的变换是通过具体的电磁铁结构来实现的。
合理的电磁铁结构是能量变换效率提高的保证。
电磁铁设计的任务是合理的确定电磁铁的各种结构参数。
确定电磁铁的各种结构参数是一个相当复杂的任务，下面我们探讨确定电磁铁结构参数的一般方法。
电磁铁吸合过程是一个动态过程,设计是以静态进行计算.电磁铁是通电产生电磁的一种装置。
在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈像磁铁一样具有磁性，它也叫做电磁铁。
我们通常把它制成条形或蹄形状，以使铁芯更加容易磁化。
另外，为了使电磁铁断电立即消磁，我们往往采用消磁较快的的软铁或硅钢材料来制做。
这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后磁就随之消失。
电磁铁在我们的日常生活中有着极其广泛的应用，由于它的发明也使发电机的功率得到了很大的提高。
1 概述1.1 基本公式及概念电磁铁是通电产生电磁的一种装置。
在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈像磁铁一样具有磁性，它也叫做电磁铁(electromagnet)。
我们通常把它制成条形或蹄形状，以使铁芯更加容易磁化。
电感元件设计规范文件编号：XXXXXXXX制订：审核：批准：生效日期：会签部门会签人/日期会签部门会签人/日期研发部行政部采购部商务部制造中心财务部人事部国际销售部IT部国内销售部大机事业部发电事业部变更记录项次版次变更内容制定制定日期1 00 First Draft索引与目录1 目的42电磁学基本概念及公式 (4)2.1 基本概念 (4)2.2 基本公式 (4)3磁元件的基本特性 (5)3.1 磁滞效应（Hysteresis Effect）： (5)3.2 霍尔效应（Hall Effect）： (5)3.3 临近效应（Proximity Effect） (5)3.4 磁材料的饱和 (6)3.5 磁芯损耗 (6)4电感磁芯的分类及特点 (7)4.1 磁芯材料的分类及其特点 (7)4.1.1 铁氧体（Ferrite） (7)4.1.2 硅钢片（Silicon Steel） (7)4.1.3 铁镍合金（又称坡莫合金或MPP） (8)4.1.4 铁粉芯（Iron Powder） (8)4.1.5 铁硅铝粉芯（又称Sendust或Kool Mu） (8)4.2 磁芯的外形分类： (8)4.3 电感的结构组成 (9)4.3.1 环型电感 (9)4.3.2 EE型电感/变压器 (10)4.4 电感的主要类型： (10)4.5 电感磁芯主要参数说明 (10)5电感在UPS中的应用 (11)6电感设计的原则 (14)6.1 原则一：电感不饱和（感值下降不超出合理范围） (14)6.2 原则二：电感损耗导致的温升在允许的范围内（考虑使用寿命） (17)6.3 原则三：电感的工艺要求可以达成 (19)7设计步骤 (21)8附录 (22)8.1 设计范例 (22)8.2 MicroMetals厂商提供的应用文档 (22)1 目的磁性元件的设计是开关电源设计中的重点和难点，究其原因是磁性元件属非标准件，其 设计时需考虑的设计参数众多，工艺问题也较为突出，分布参数复杂。
常用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，如表所示为各种不同器件对磁性材料的性能要求。
（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著减小。
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。
这就要求材料有足够高的Bs值和合适的磁导率，常为宽恒导磁材料。
对于工作在±Bm之间的变压器来说，要求其磁滞回线的面积，特别是在高频下的回线面积要小，同时为降低空载损耗、减小励磁电流，应有高磁导率，最合适的为封闭式环形铁芯，其磁滞回线见图所示，这种铁芯用于双端或全桥式工作状态的器件中。
磁性元件及高频变压器设计成继勋 2009.12.31（2011.3.22修改）1 磁性材料的磁化1.1 磁化曲线在外磁场（或电流）的作用下，磁性材料被磁化，磁化曲线如图图1.1 图1.2 在交变磁场的作用下，形成磁滞回线。
H H B r 0μμμ== （1.1）H -磁场强度，SI 单位制A/m ；CGS 制：Oe （奥斯特），1A/m=4π×10-3OeB -磁通密度（磁感应强度，磁化强度）SI 单位制：T （Tesla 特斯拉）；CGS 制：Gs （高斯），1T=104Gs μ-磁导率，H/m （亨利/米）；μ0-真空磁导率，SI 单位制中μ0= 4π×10-7H/m ，CGS 制中μ0=1。
μr -相对磁导率，无量纲 在均匀磁场中SB ϕ=（1.2）φ-磁通量，SI 单位制：Wb （韦，韦伯）；CGS 制：Mx （麦，麦克斯韦）1Wb=10-8Mx S -面积，SI 单位制：m 2; CGS 制：cm 2Hs 称饱和磁场强度，Hc 称矫顽力 Bs 饱和磁通密度，Br 剩余磁通密度（剩磁）1.2 几个磁导率的概念（1）初始磁导率)0(0→∆∆=H HBi μμ （2）最大磁导率μm ：磁化曲线上μm 的最大值max0HB m μμ=（3）增量磁导率(脉冲磁导率) μΔDCH H HB =∆∆∆=0μμ图1.3即在具有直流偏置磁场时，再加上一个交流磁场，这时测得的磁导率。
（4）幅值磁导率 μa没有直流偏置时，交变磁场强度的幅值与磁通密度幅值的关系称为幅值磁导率μa（5）有效磁导率μe在磁路中存在气隙，即非闭合磁路条件下，测得的磁导率为有效磁导率1.3 安培环路定律图1.4 图1.5∑⎰⎰==I dl H l d H lαcos （1.3） 对绕N 匝线，电流为I 的磁环NI Hl l d Hl==⎰ （1.4）式中，l=2πr 为磁路长度，H 为磁芯中的磁场强度为lNIH =（1.5） NI F = （1.6）称为磁（动）势，单位A ，常称为安匝。
高频开关电源主要磁性元件的设计作者：刘明轩来源：《电子世界》2013年第17期【摘要】本文重点研究高频开关电源的磁性元件的设计，在高频开关电源设计过程中需要解决的一个关键问题，就是热的问题；而热主要来源是磁性元件，如何解决磁性元件的损耗及发热问题，减小磁性元件的尺寸也成为该课题的一个关键问题。
所以磁性元器件的设计自然成为整个设计关节中相当重要的一环。
【关键词】变压器；电抗器；磁芯1.概述在电力系统中的直流系统，由于普遍采用高频模块，而对于高频模块的设计也是功率越来越大，而体积却是越来越小，这就对其设计提出了一个关键的问题，那就是如何解决磁性元件的损耗及发热问题。
高频开关电源中大量使用各种各样的磁性元件，如输入/输出共模电感，功率变压器，饱和电感以及各种差模电感。
各种磁性元器件对磁性材料的要求各不相同，如差模电感希望μ值适中，但线性度好，不易饱和；共模电感则希望μ值要高，频带宽，功率变压器则希望μ值要适中，温度稳定好，剩磁小，损耗低等。
在非晶材料出现以前，共模电感主要采用高μ值（6K～10K）Mn-Zn合金，差模电感多采用铁粉芯或开气隙铁氧体材料，变压器则采用铁氧体材料等。
这些材料应用技术成熟，种类也很丰富，并有各种各样的产品形状供选择。
随着非晶材料的出现和技术不断成熟，在开关电源设计中，非晶材料表现出许多其它材料无法比拟的优点。
几种常用磁性材料基本性能比较如表1。
2.主变压器的设计对于高频开关电源的主要发热元件，主变压器的设计尤其重要，其尺寸的大小和材料的选择更是重要。
2.1 主变压器的磁芯必须具备的几个特点①低损耗②高的饱和磁感应强度且温度系数小③宽工作温度范围④μ值随B值变化小⑤与所选用功率器件开关速度相应的频响早前高频变压器一般选用铁氧体磁芯，下面对VITROPERM500F铁基超微晶磁芯与德国西门子公司生产的N67系列铁氧体磁芯的性能进行较：从以上图表可以看出两者有以下区别：（1）相同工作频率（200KHZ以下），非晶材料损耗明显低于铁氧体，工作频率越低，工作B值越高，非晶材料优势越明显。
