磁性元件设计

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。

正激变换器磁性元件的设计第一部分：磁性元件的类型和基本原理变压器的基本原理是利用电磁感应的原理，在一个绕组中通过交流电产生的磁场感应到另一个绕组中，并将电能从输入端传递到输出端。

变压器的主要参数有变比、额定功率和损耗。

电感器也利用电磁感应的原理，但与变压器不同的是，电感器主要是利用自感效应而产生电能储存，并在需要时释放。

电感器的主要参数有电感值、电流能力和频率响应。

第二部分：正激变换器磁性元件的设计要求1.功率密度：功率密度指单位体积或单位重量的磁性元件所能承受的功率。

提高功率密度可以减小变压器和电感器的体积，同时保持其高效率和稳定性。

2.体积：正激变换器通常需要较小的体积，尤其在一些应用中，如手机充电器、电动汽车充电器等。

因此，设计磁性元件时需要追求尽可能小的体积。

3.效率：正激变换器的效率对于节能和降低损耗至关重要。

磁性元件的设计应该追求高效率，减小能量损耗，提高能量利用率。

4.成本：磁性元件的设计还要考虑成本因素。

在设计过程中，要找到平衡点，以确保磁性元件的性能符合要求，但同时又不引起过高的成本。

第三部分：磁性元件的具体设计步骤1.确定输入和输出电压/电流：根据具体应用需求，确定输入和输出的电压/电流。

2.计算变比或电感值：根据输入和输出的电压/电流，计算变比或电感值。

变比的计算可以根据功率守恒定律，通过功率关系计算得到；电感值的计算可以通过所需的电流和频率计算得到。

3.选择磁性材料：根据变比或电感值，选择合适的磁性材料。

常用的磁性材料有铁氧体、铁氧体软磁材料、铁氧体硬磁材料等。

选择合适的磁性材料可以提高变压器或电感器的性能。

4.计算磁路参数：根据选择的磁性材料，计算磁路参数。

磁路参数包括磁路长度、磁导率和横截面积等。

5.计算绕组匝数和线径：根据输入和输出的电压/电流、变比或电感值，计算变压器或电感器绕组的匝数和线径。

绕组的匝数和线径的选择直接影响磁性元件的性能和效率。

6.验算和优化：根据设计结果，进行验算和优化。

正激变换器磁性元件的设计正激变换器磁性元件除了变压器外，还有一个电感器，即扼流圈。

一般的资料上都是从变压器开始算起的，但本人认为应该从电感器开始算起比较好，这样比较明了，思维可以比较清楚。

因为正激变换器起源于BUCK变换器，而BUCK变换器，其功率的心脏是储能电感，因此，正激变换器的功率心脏是扼流圈，而不是变压器，变压器只有负责变电压，并没有其它的功能，功率传输靠得是电感。

当然一般书上从变压器算起，也未尝不可，但这样算，思路不是很明确，也不容易让读者理解。

下面我演示一下我的算法，希望对读者能有所帮助。

电感器的设计首先，以滤波电感为研究对象，进行研究。

在一个周期中，开关管开通的时候，滤波电感两端被加上一个电压，其电流不是突变的，而是线性的上升的，有公式I=V*TON/L，这几项分别表示电感电流的增量，输入电压，开通时间，电感量。

而这个电压是变压器副边放出的。

在开关管关断的时候，电感器以一个恒定的电压放电，其电流即会线性的下降，同样遵守这个公式，即I=V o*TOFF/L，一个周期中，放电电流等于充电电流，所以上两式相等，再用1-D代替TOFF，D代替TON，于是从上两式中得到V o=V*D。

画出电感两端的电压电流波形如下图。

电感两端电压电流波形上有电流波形，下为电压波形。

所以，我设计的第一步就是确定这个原边电流的波形。

第一步，确定电感充电电压值。

首先，确定开关管开通的时候，加在电感器两端的电压V，这个电压由设计者自己设定，选定这个电压后，最大占空比D即确定了。

第二步，设定电感电流的脉动值IR，不妨自己把电感电流的曲线图画出来，大概和上面的相似。

然后再选定一个脉动电流的值，即上升了的电流或是下降的电流的值。

因为输出功率和输出电压是已知的，那么平均电流值IO就是知道的。

第三步，根据上面的条件，确定这个电流的波形。

要确定这个波形，要知道其峰值IP吧，上面的条件已经足够求出这个峰值了，有方程式IR/2+（IP-IR）=IO，解出IP=IO+IR/2第四步，设定电感量。

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。

第五章 磁元件设计一般电源工程师宁愿花很多时间进行电路设计，而不愿意设计一个磁元件。

设计磁元件要决定许多事情：磁芯材料，磁芯形状，导线类型等等。

而设计好的磁元件的参数对电路性能有怎样的影响，总不像电路设计那样心里有数。

当设计完成以后，还要在实验室检测性能。

即使性能获得通过，然后你还得确定设计的产品成本是否合理。

一般工程师对磁的有关问题感到困惑，为此，这一章将介绍磁的基础知识，并给你很多的磁元件设计的实际信息。

在磁元件设计和电路试验时，具有很强的物理概念是十分重要的。

本章在介绍材料之后，其余部分逐步介绍做好磁的设计，包括你的设计如何制造出来。

在文献中已详细介绍了磁元件设计。

这里只说明如何做好、怎么做、和具体磁设计的关键工程问题。

5.1 两个基本定律让我们从两个基本定律开始，所有的磁问题都服从这两个个基本定律：安培定律和电磁感应定律。

1．安培定律I 图5-1 安培定律 安培定律也称为安培环路定律或全电流定律。

参考图5-1,一个磁性均匀的环，在环的圆周上均匀绕N 匝线圈，平均圆周长为l ,线圈通过电流为I ，根据全电流定律，其磁场和电流关系为 （5-1） Hl IN =则在国际单位制（MKS ）中磁场强度 lIN H =r （A/m ） （5-2a ） 在实用单位制（CGS ）中磁场强度lIN H π4.0=r (Oe) （5-2b ） 在使用单位制(CGS )时，磁场强度为奥斯特（Oe ）,它与MKS 制关系为1(Oe)=π4.0102（A/m ） 从式（5-1）可见，电流增加磁场增加。

2. 电磁感应定律第二个定律是电磁感应定律。

它实际上包含两个定律：法拉第定律和楞次定律。

U A －面积 B －磁感应强度图5-2 变化的磁场产生感应电势 图5-2中一个N 匝线圈，包围面积A 。

如果包围的面积A 中的磁通（不管是自身线圈电流磁场，还是外加磁场）发生变化，那么在线圈的两端将产生一个电势，这个电势大小与线圈包围磁通链变化率的关系为 e dtBAN d dt d −==)(ψ 或dtdB NA U = (5-3) U －线圈端电压，dt d /ψ表示磁链的变化率。

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。