开关电源中的高频磁元件设计总结
新型高频开关电源磁元件及变压器设计
新型高频开关电源磁元件及变压器设计新型高频开关电源磁元件及变压器设计与应用第一部分: 基本磁路理论1、麦克斯韦电磁场基础理论2、磁心材料的组成及基本参数3、磁路的计算4、磁元件的串联磁路计算，等效带气隙扼流圈的设计原理5、磁元件的并联磁路计算，双绕组耦合磁元件的设计原理第二部分：开关电源中电感扼流圈的设计方法1、开关电源基本拓扑的磁元件设计与计算2、铁氧体材料的磁元件设计与计算1）、铁氧体材料的性能和选择方法2）、磁元件绕组的设计方法和计算3、带气隙的电感元件设计1）、气隙大小的计算2）、气隙对磁元件的影响4、铁粉心材料的磁元件设计1）、铁粉心材料的性能和组成2）、铁粉心磁元件的性能和设计要点5、铁硅铝材料的磁元件设计1）、铁硅铝材料的性能和组成2）、铁硅铝元件的设计方法和要点6、扼流圈的设计,带有大直流偏置的电感器的饱和原因。
各种磁心材料设计电感扼流圈的设计方法第三部分：开关电源中变压器的设计方法1、高频变压器的原理与模型2、实际变压器中的分布寄生参数对开关电源的影响3、实际变压器中的分布寄生参数4、实际变压器的分布寄生参数对开关电源EMI的影响5、开关变压器的漏感评估6、开关电源变压器的磁心材料的选择方法7、开关变压器的导线选择1）、开关变压器绕组的高频效应2）、开关变压器绕组高频交流电阻的计算模型3）、开关变压器绕组高频交流电阻的计算方法8、开关变压器的设计实例9、开关变压器中屏蔽层的加载方法10、反激开关变压器的设计与计算1)、反激开关变压器磁心的选择2）、反激开关变压器绕组特性的分析和设计方法3）、反激开关变压器工作模式的分析与变压器设计的关系4）、反激开关变压器与开关变压器的异同11、高频变压器的数学模型，寄生参数。
了解高频变压器的磁路计算。
12、高频变压器的参数设计，计算，磁心尺寸的选择，磁心材料的性能，及磁场参数对高频变压器的影响。
13、高频变压器绕组的设计计算，绕组结构对变压器参数的影响。
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。
20170418-开关电源中的磁元件基础知识(五)
开关电源中的磁元件基础知识(五)普高（杭州）科技开发有限公司 张兴柱 博士磁元件的绕组损耗：磁元件除了铁芯外，还有一个组成就是绕组。
最简单的磁元件---电感，就是由铁芯和一个绕组组成的，单输出变压器则是由铁芯和两个绕组组成的。
磁元件中的损耗除了前面介绍的铁损外，还有下面要介绍的铜损。
铜损其实就是磁元件绕组中所产生的损耗，由于绕组一般采用铜导线或铜皮，它具有一定的电阻，所以当绕组中通过电流时，就会产生相应的损耗。
当绕组中流过的电流是低频正弦电流或直流时，单绕组电感可用图1等效，其损耗为：L rms R I P 2=其中：rms I 为流过绕组的电流有效值；L R 为绕组的低频等效电阻，wb L A l R ρ=，ρ为绕组的电阻率，b l 为绕组的长度，w A 为绕组的截面积。
当绕组中的电流是高频正弦时，绕组的损耗会变得比较复杂。
电磁学原理中介绍过通有高频电流的绕组，它有两种效应：一种是绕组的集肤效应，一种是绕组之间的邻近效应。
如果没有很好理解这两种效应，那么就可能设计出不合理的高频绕组，从而导致绕组的铜损大大增加。
电图2： 集肤效应产生原因示意图图2是用来介绍绕组集肤效应产生原因的示意图。
图中画的是绕组导体的一部分，假定导体中的电流为高频正弦电流，那么导体周围就会产生一个如图中红色箭头方向所示的交变磁通，这个变化的磁通会在导体表面和导体内部产生感应电流，方向如图中蓝色箭头所示。
从感应电流的方向可知，导体表面的感应电流与外部电流方向相同，促使导体表面的电流密度增加，而导体内部的感应电流与外部电流的方向相反，促使导体内部的电流密度减小，当导体的线径很大时，在导体中心附近就会有一段的电流密度是零。
这个现象表明了当导体中通过高频电流时，在导体内真正有电流流过的距离（从表面向里）是有限制的，其长度为δ，也叫穿透深度。
这种高频电流只能在表面附近的有限长度内流过导体的现象就是电磁学原理中介绍的集肤效应。
由集肤效应引起的穿透深度δ与频率有关，一般关系式如下：fo πµρδ= 其中：ρ为绕组的电阻率，对于铜导线（100°C ），其cm f 5.7=δ。
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。
高频开关电源的电磁兼容设计
高频开关电源的电磁兼容设计随着电子技术的发展，高频开关电源已经成为各种电子产品的重要电源模块。
但是，由于高频开关电源工作时存在较强的电磁辐射和抗干扰能力较弱的特点，使得它的电磁兼容性设计成为了电子设备设计中的一个非常重要的问题。
本文将介绍高频开关电源的电磁辐射的形成原因和电磁兼容性设计的方法。
高频开关电源的电磁辐射高频开关电源的工作原理是将交流电压转化为直流电压，然后通过高频开关器进行变换，将电压升高到所需的水平后，再通过输出滤波电路对输出电压进行调整和滤波，输出一般为直流电压或脉冲电压。
在高频开关电源的变换过程中，由于高速开关所产生的高频电流和高电压在电源电路中快速变化，会引起电磁波从电源向周围的空气和导体传播，造成电磁辐射。
高频开关电源的电磁辐射主要有以下几种形式：1.磁场辐射：在高频开关电源的开关元件中，由于电流变化快、交叉磁路多，容易产生较强的磁场，从而导致磁场辐射。
2.电场辐射：在高频开关电源的开关元件中，由于电压变化快、高速切换，容易产生较强的电场，从而导致电场辐射。
3.导线辐射：电路中的导线会以天线的形式辐射出电磁波，是一种常见的辐射形式。
高频开关电源的电磁兼容设计方法高频开关电源的电磁兼容性设计是确保电源的正常工作同时尽可能减少电磁辐射干扰其他电子设备的过程。
下面介绍几个高频开关电源的电磁兼容性设计方法：1.增加滤波和补偿电容在高频开关电源中，可以增加滤波和补偿电容，以减少高频电压漂移和电流谐波干扰。
同时还可以减少开关瞬间开启或关闭时所产生的电磁辐射。
2.优化电源设计在高频开关电源的设计中，应尽量采用集成电感和微波集成电路，同时注意用电容和电感进行平衡。
另外，电源的设计还要注重对地电路的设计，包括对于地线的布局和选择等。
3.提高电源的抗干扰能力对于高频开关电源，可以通过加装抑制器、磁屏蔽等方法来提高电源的抗干扰能力。
另外，还可以通过增加电源的防雷措施来避免由于感应产生的过电压和过电流问题。
开关电源中高频变压器绕制心得
开关电源中高频变压器绕制心得高频变压器是开关电源中的核心元件之一，它主要用于将输入的低压直流电转换为需要的高频交流电。
通过高频变压器的绕制，可以实现电能的高效转换和稳定输出。
在实际的绕制过程中，我积累了一些心得体会，现在与大家分享如下。
首先，在开始绕制高频变压器之前，我们需要明确设计要求，包括输入电压、输出电压、输出功率等。
然后根据这些设计参数，选择合适的铁芯材料和线材。
铁芯材料的选择要考虑其磁导率、饱和磁感应强度等因素，线材的选择要考虑其截面积和耐高温能力。
一般来说，使用铁粉芯和高温线材可以提高变压器的效率和可靠性。
接下来，绕制高频变压器需要注意几个关键参数。
首先是匝数比，即输入绕组和输出绕组的匝数之比。
匝数比决定了输入输出电压的转换关系，一般来说，输入绕组匝数较大，输出绕组匝数较小。
其次是绕组的恁员，即输入绕组和输出绕组的方向。
绕制时要保证输入输出绕组的恁员方向相反，以实现电压的升降。
还有一个关键参数是绝缘层的选择和处理，绝缘层的存在能够有效隔离绕组，防止绝缘破损导致短路等故障。
在绕制高频变压器时，需要注意一些细节。
首先是绕线的整齐和紧密程度，要保证绕线的平整、密度均匀，避免产生空隙和交叉。
其次是绕线的品质和连接性，要保证每个绕组之间连接牢固可靠，不易脱落。
另外，绕制高频变压器还需要注意线圈的损耗和漏损。
线圈的损耗主要来自于线材的导电电阻，而漏损主要来自于线圈之间和线圈与铁芯之间的磁场耦合不完全。
为了减小这些损耗，可以采取合适的绕制方式和增加绕组之间的绝缘层。
绕制高频变压器还需要注意的是绝缘处理。
绝缘处理主要是为了防止线圈之间和线圈与铁芯之间的短路或绝缘击穿。
在绕制过程中，需要合理选择绝缘材料和绝缘涂层，并且需要注意绕线的绝缘层的厚度和质量。
此外，还需要对绕制好的变压器进行绝缘测试，以确保绝缘层的质量和安全性。
总结起来，高频变压器的绕制是一个技术要求较高的过程。
通过我的实践经验，我认为关键在于选择合适的材料、控制重要参数、注意细节和保证绝缘层的质量。
开关电源电磁兼容设计及电磁骚扰的抑制总结
开关电源电磁兼容设计及电磁骚扰的抑制总结开关电源电磁兼容（EMC）设计及电磁骚扰的抑制是在开关电源设计中不可避免的问题。
为了确保设备在工作时不会产生电磁干扰或受到电磁干扰的影响，我们需要采取一些措施来保证电磁兼容性。
以下是一些关键点，总结了开关电源的电磁兼容设计和电磁骚扰抑制的方法。
1.开关电源的布局设计：-尽量减小导线的长度和面积，在布局时要避免导线的交叉和平行排列，尤其是高频信号线和低频信号线。
-将高频部分布局在一起，低频部分布局在一起，以减少电磁干扰。
-使用多层PCB板设计，将地线、电源线和信号线分层布局，以降低电磁辐射和互相干扰。
2.滤波器设计：-在输入和输出端口附近添加滤波器，以减少电磁干扰的传播。
-使用电源滤波器，以减少电源线上的高频噪声。
-使用输入和输出滤波器，以降低辐射和传导的电磁干扰。
3.接地设计：-使用良好的接地方法，包括终端接地、屏蔽接地和共地接法，以降低电磁辐射和互相干扰。
-在布局时，将地线设计为低阻抗、低干扰的传输路径，确保电磁干扰的可靠耗散。
4.耦合器件的选择：-在开关和滤波器中选择适当的元器件，如电感、电容和变压器，以减少电磁辐射和传导的干扰。
-使用优质的耦合器件，具有更好的电磁兼容性和抑制电磁骚扰的能力。
5.使用屏蔽和接地：-在关键部位使用屏蔽盖板或屏蔽罩，以减少电磁辐射和传导的干扰。
-在电源线和信号线上使用屏蔽，并正确地接地屏蔽以提高电磁兼容性。
6.EMI测试和符合性认证：-完成EMI测试，以确保产品符合相关标准和规定。
-定期进行EMI测试，并及时修正和改进设计，以满足不断变化的要求和标准。
总之，开关电源电磁兼容设计及电磁骚扰的抑制是在开关电源设计中不可或缺的部分。
通过合理的布局设计、滤波器设计、接地设计、耦合器件选择、屏蔽和接地以及EMI测试和符合性认证等措施，我们可以有效地降低电磁辐射和传导的干扰，提高开关电源的电磁兼容性，保证产品的可靠性和稳定性。
开关电源中的高频磁元件的设计
• 开关电源概述 • 高频磁元件在开关电源中的作用 • 高频磁元件的设计 • 高频磁元件的制造工艺 • 高频磁元件的应用实例 • 高频磁元件的发展趋势与展望
01
开关电源概述
开关电源的定义与特点
定义
开关电源是一种将电能进行转换 的装置，通过控制开关管的工作 状态，将电能进行升压或降压， 并输出稳定的直流电压。
应用实例三
总结词
LED照明电源中的高频磁元件需要满足低成 本、小型化、高效能等要求。
详细描述
LED照明电源中的高频磁元件主要用于实现 LED灯的驱动和控制，需要满足低成本、小 型化、高效能等要求。同时，由于LED灯的 发光原理和特性，高频磁元件还需要具有良 好的恒流性能和较小的体积，以保证LED灯 的稳定性和寿命。在具体设计时，需要考虑 磁元件的磁性能、热性能、电气性能等多个 方面，以满足LED照明电源的需求。
组装工艺
采用合适的组装工艺，确保各元件位置准 确、固定可靠，同时保持整体结构紧凑、 散热性能良好。
绝缘处理
采用合适的绝缘材料和工艺，确保线圈的 绝缘性能可靠，防止短路和漏电事故的发 生。
制造工艺中的质量控制
严格控制原材料的质量，确保 所选材料符合设计要求和相关 标准。
加强绕线、绝缘处理、组装等 关键工艺环节的质量控制，提 高产品的合格率和稳定性。
06
高频磁元件的发展趋势与展望
发展趋势
高频化
01随着电力电子技术ຫໍສະໝຸດ 进步，开关电源的工作频率不断提高，高
频磁元件的需求越来越大。
小型化
02
随着电子设备的便携化和轻量化，高频磁元件的设计需要更加
紧凑和轻便。
高效化
03
开关电源高频变压器设计
开关电源中的磁性元件
单层线圈的MMF图
E-E Core E-E磁芯
H = NI/le 0
H从外部的0上升至内部的NI/le ，再降回外部的0。
AcBel Confidential
开关电源中的磁性元件
带有4层绕组的MMF图
4I 3I 2I I
0
H在每层中增加，在线圈内部保持4I，然后逐层递减，在外部回到0。
AcBel Confidential
开关电源中的磁性元件
面积乘积(Aw • Ae)
磁芯尺寸取决于处理的功率，这是有道理的，因为： –窗口面积与电流成正比。 –磁芯面积与电压成正比。 –因此可以推出Aw · Ae = V ·I = 功率 为简便起见，我们没有提及频率。 –磁芯面积与磁通成正比：Φ = B ·S = V ·t = V/f –因此， AP = (V ·I)/f。在较高的频率下，给定的 磁芯尺寸能够处理更大的功率。 但并非这么简单。 –磁芯面积与磁通成正比：Φ = B ·S = V ·t = V/f –在给定的温升下，电流密度与尺寸有关。 –邻近效应和趋肤效应在较高频率引起较大的导线损耗。
注意: 功率损耗与H2成正比！
AcBel Confidential
开关电源中的磁性元件
主变压器的设计
最重要的是：确定输入电压的范围。
在APFC输入电源中，APFC输出电压最大值通常为400V。
变压器的最小输入电压通常取决于需要多大的保持时间 ——即断开输入电源后电源能够持续工作的时间。
对于交流输入电源，无论有或没有PFC，在变换器的输入 端都有一个储能电容器。 对于保持特性的设计需要选择电容值以及变换器的工作 电压范围。 变换器的工作电压范围决定了变压器的设计。
高频开关变换器中的磁性元件设计
高频开关变换器中的磁性元件设计摘要：鉴于常规的磁性元件设计方法存在局限性，不能全面反映其实际工作情况。
本文针对600W双管正激变换器中的高频变压器采用“Magnetics Designer”软件进行自行设计，给出了具体的设计方法和设计过程，并通过Pspice仿真验证其设计效果。
1、引言在高频开关变换器中磁性元件的应用非常广泛，主要有变压器和电感器两大类：当变压器用时，可起电气隔离、升降压及磁耦合传递能量等作用;当电感器用时，起到储存能量、平波与滤波等功能。
并且其性能的好坏对变换器的性能产生重要影响，特别对整个装置的效率、体积及重量起举足轻重的作用。
因此，磁性元件的设计是高频开关变换器设计中的重要环节。
高频开关变换器中的磁性元件设计，通常是根据铁芯的工作状态，合理选用铁芯材料，正确设计计算磁性元件的铁芯及绕组参数。
但由于磁性元件所涉及的参数太多，其工作状态不易透彻掌握，因此常规的设计方法不能全面反映其实际工作情况和考虑其它因素的影响，也就很难达到所需的性能指标和满足设计要求。
针对高频开关变换器中的磁性元件设计的重要性、必要性及其复杂性，笔者采用Intusoft公司的“Magnetics Designer”软件根据磁性元件的实际工作情况进行计算设计，获得较理想的效果。
本文首先介绍了磁性元件设计中应考虑、注意的一些问题，并针对600W 双管正激变换器中的高频变压器给出了具体的设计方法和设计过程，最后通过仿真加以验证。
2、磁性元件设计中应考虑的一些问题2.1 铁芯瞬态饱和在高频开关变换器启动瞬间，由于双倍磁通效应，其磁性元件的铁芯可能瞬态达到饱和，从而产生很大的浪涌电流，导致与磁性元件相连的开关器件损坏。
因此，为防止铁芯瞬态饱和，可采用的方法：一是把工作磁感应强度值减小，但这样会降低铁芯的利用率;二是增加软启动环节，启动时减小功率管的导通脉冲宽度，然后逐渐增大磁感应强度到稳态值。
2.2 绕组的漏感绕组的漏感对高频开关变换器产生很大的负面效应，影响其正常运行。
开关电源中的高频磁元件设计
开关电源中的高频磁元件设计高频磁元件是开关电源中的重要组成部分，能够将输入的电能转化为高频电能，并进行功率变换。
它们在保证开关电源正常工作、提高效率和减小尺寸方面起到关键作用。
因此，在设计高频磁元件时，需要考虑多种因素，包括输入输出电压、频率、功率、效率等。
下面，将详细介绍高频磁元件的设计。
1.开关频率和功率密度：在设计高频磁元件时，首先需要考虑开关频率和功率密度。
开关频率越高，磁元件所承受的磁通变化速度越快，对磁性材料的要求也越高。
此外，功率密度的大小也会影响磁元件的尺寸和重量。
2.磁芯材料选择：选择合适的磁芯材料对于高频磁元件的设计至关重要。
常用的磁芯材料包括铁氧体、磁性粉末材料和软磁材料等。
铁氧体具有较高的磁导率和饱和磁感应强度，并且价格相对较低，适用于大功率开关电源。
磁性粉末材料具有优良的高频特性，适用于高频开关电源。
软磁材料具有低矫顽力和低剩磁，适用于高频大电流的开关电源。
3.磁芯形状设计：磁芯的形状对于高频磁元件的性能也有很大的影响。
通常，矩形和环形磁芯是常见的设计形式。
矩形磁芯适用于大功率开关电源，而环形磁芯适用于高频开关电源。
此外，还可以采用线圈分层和空气隙设计来减小电流的涡流损耗和铜损耗。
4.初级和次级绕组设计：绕组是高频磁元件中的重要组成部分，它将输入的电流变压为合适的电压，并传递给次级侧。
在设计绕组时，需要考虑绕组的匝数、尺寸、电阻和电感等参数，以及绕组之间的绝缘和屏蔽。
5.整体设计和电磁兼容性：在设计高频磁元件时，还需要考虑整体的设计和电磁兼容性。
合理的布局和隔离可以减小互感和干扰，提高系统的性能稳定性和抗干扰能力。
此外，还需要进行电磁兼容性测试，以确保高频磁元件符合相关标准和规范。
综上所述，高频磁元件的设计是开关电源设计中的重要环节。
在设计过程中，需要考虑开关频率、功率密度、磁芯材料选择、磁芯形状设计、绕组设计以及整体设计和电磁兼容性等因素，以确保高频磁元件的性能稳定和高效工作。
开关电源中的高频磁元件的设计
开关电源中的高频磁元件的设计开关电源是一种常见的电力转换装置，其中高频磁元件起到了至关重要的作用。
高频磁元件设计的目标是实现高效的电力转换和最小的能量损耗。
下面将详细介绍高频磁元件的设计过程。
首先，高频磁元件的设计需要确定电源的输入和输出参数。
输入参数包括输入电压和输入电流的范围，输出参数包括输出电压和输出电流的需求。
此外，还需要考虑开关频率、转换效率和工作温度等因素。
接下来，根据输入和输出参数确定高频磁元件的类型。
常见的高频磁元件包括变压器、电感器和变压电感器等。
不同的应用场景需要选择适合的磁元件类型。
然后，根据设计需求计算磁元件的参数。
首先，选择合适的磁芯材料和磁芯形状。
磁芯材料的选择应考虑磁导率、饱和磁通密度和磁损耗等特性。
磁芯形状的选择应根据电磁场分布和损耗的要求。
其次，计算磁元件的线圈参数。
线圈参数包括匝数、导线直径、线圈材料和线圈形状等。
匝数的选择要实现所需的电压变换比和电流承载能力。
导线直径的选择要考虑电流承载能力和电阻损耗。
线圈材料的选择要考虑导电性能和热稳定性。
接下来，通过磁路分析计算磁元件的磁路参数。
磁路参数包括磁感应强度、磁路长度和磁场强度等。
通过磁路参数的计算可以确定磁芯的尺寸和磁场的分布。
然后，进行磁元件的电磁场分析。
电磁场分析是计算磁元件中电磁场分布和损耗的过程。
通过电磁场分析可以确定磁元件的损耗和电磁兼容性。
最后，根据设计结果选择合适的高频磁元件。
选择合适的高频磁元件需要综合考虑电路参数、成本和制造工艺等因素。
总结来说，高频磁元件的设计涉及电路参数的确定、磁芯材料和形状的选择、线圈参数的计算、磁路参数的计算和磁场分析等步骤。
通过科学的设计方法和精确的计算可以实现高效的电力转换和最小的能量损耗。
同时，还需要考虑制造工艺和成本等因素，选择合适的高频磁元件。
开关电源中高频磁性元件设计常见错误概念辨析
开关电源中高频磁性元件设计常见错误概念辨析【转帖】作者:冷昭军现任深圳茂硕电源科技股份有限公司电源开发工程师很多电源工程师对开关电源中高频磁性元件的设计存在错误的概念，其设计出来的高频磁性元件不能满足应用场合的要求，影响了研发的进度和项目的按期完成。
基于开关电源及高频磁性元件设计经验，对一些概念性错误进行了辨析，希望能给大家提供借鉴。
1 引言开关电源中高频磁性元件的设计对于电路的正常工作和各项性能指标的实现非常关键。
加之高频磁性元件设计包括很多细节知识点，而这些细节内容很难被一本或几本所谓的“设计大全”一一罗列清楚[1－3]。
为了优化设计高频磁性元件，必须根据应用场合，综合考虑多个设计变量，反复计算调整。
正由于此，高频磁性元件设计一直是令初涉电源领域的设计人员头疼的难题，乃至是困扰有多年工作经验的电源工程师的问题。
很多文献及相关技术资料给出的磁性元件设计方法或公式往往直接忽略了某些设计变量的影响，作了假设简化后得出一套公式；或者并未交代清楚公式的应用条件，甚至有些文献所传达的信息本身就不正确。
很多电源设计者并没有意识到这一点，直接套用设计手册中的公式，或把设计手册中某些话断章取义，尊为“设计纲领”，而没有进行透彻的分析和思考，以及实验的验证。
其结果往往是设计出来的高频磁性元件不能满足应用场合的要求，影响了研发的进度和项目的按期完成。
为了使电源设计者在设计过程中，避免犯同样的错误，为此，我们针对在学习和研发中遇到的一些概念性的问题进行了总结，希望能给大家提供一个借鉴。
2 这里以小标题形式给出开关电源高频磁性元件设计中8 种常见的错误念，并加以详细的辨析。
1）填满磁芯窗口——优化的设计很多电源设计人员认为在高频磁性元件设计中，填满磁芯窗口可以获得最优设计，其实不然。
在多例高频变压器和电感的设计中，我们可以发现多增加一层或几层绕组，或采用更大线径的漆包线，不但不能获得优化的效果，反而会因为绕线中的邻近效应而增大绕组总损耗。
开关电源转换器高频磁元件.
开关电源转换器高频磁元件开关电源转换器高频磁元件类别：电源技术高频开关电源使用的磁性元件9是一种强非线元件，在高频下运行，其材料、结构形式和性能，都不同于一般工频磁性元件，有许多问题需要研究。
1）平面磁心及平面变压器技术平面变压器适用于薄型（Low Profile）高频开关变压器，其厚度小于1 cm，呈扁平状。
平面变压器要求磁心、绕组都是平面结构，如图1所示。
绕组采用铜箔或板型印制电路，省去绕组骨架，有利于散热，漏感LLK小，集肤效应损耗小，用于便携式（Portab1e）电子设各电源及板上电源。
平面变压器的性能与诸多因素有关，如绕组结构与布置端部设计、铜片厚度、磁心几何尺寸等。
现在国际上正在用二维有限元法研究Rac和L1k均为最小的绕组结构，并开发平面变压器的优化设计软件等。
如图1 平面变压器据报道，国外已有多家公司开发了平面变压器。
5 MI～20kW平面变压器的体积及功率密度仅为传统高频变压器的⒛％，一个手提箱内可以放总功率达几十千瓦、十几种平面变压器。
效率97％～99％；工作频率50 kHz～2 MHz，漏感小于0.2％；EMI小。
2）集成磁元件将多个磁元件（如变压器和电感）集成在一个磁心上如图2所示，称为集成TL磁元件。
研究磁集成和磁电集成有助于磁路的小型化，降低损耗、减小寄生参数，也便于开发集成电力电子系统。
最早开发的是几个电感集成，称为LL集成；变压器与电感的集成称为TL集成；电感、电容和变压器的磁电集成称为LCT集成。
平面磁心及平面变压器技术的开发研究，有利于集成磁技术的发展。
如图2 集成TL磁性元件的例子国外已有集成磁元件（Integrated Magnetics，IM）转换器，如50 W，5 V及15 V两路输出的正激IM转换器，100 kHz，变压器和输出滤波电感集成在一个磁心上；又如，应用混合功率封装技术和集成磁技术使航空用0.5 MHz，薄型100 W半桥式DC/DC 转换器的厚度仅为0.21in，功率密度达150 W/in3。
开关电源磁芯选择、热设计要点总结——这篇宝藏小文档入木三分(民熔)
开关电源磁芯选择、热设计要点总结磁芯选择要点1、适中的磁导率相对磁导率究竟选取多少合适呢？这要根据实际线路的开关频率来决定，一般相对磁导率为2000的材料，其适用频率在300kHz以下，有时也可以高些，但最高不能高于500kHz。
对于高于这一频段的材料，应选择磁导率偏低一点的磁性材料，一般为1300左右。
2、较高的居里温度居里温度是表示磁性材料失去磁特性的温度，一般材料的居里温度在200℃以上，但是变压器的实际工作温度不应高于80℃，这是因为在100℃以上时，其饱和磁通密度Bs已跌至常温时的70％。
因此过高的工作温度会使磁心的饱和磁通密度跌落的更严重。
再者，当高于100℃时，其功耗已经呈正温度系数，会导致恶性循环。
对于R2KB2材料，其允许功耗对应的温度已经达到110℃，居里温度高达240℃，满足高温使用要求。
3、在高频下具有较低的功率损耗铁氧体的功率损耗，不仅影响电源输出效率，同时会导致磁心发热，波形畸变等不良后果。
变压器的发热问题，在实际应用中极为普遍，它主要是由变压器的铜损和磁心损耗引起的。
如果在设计变压器时，Bm选择过低，绕组匝数过多，就会导致绕组发热，并同时向磁心传输热量，使磁心发热。
反之，若磁心发热为主体，也会导致绕组发热。
选择铁氧体材料时，要求功率损耗随温度的变化呈负温度系数关系。
这是因为，假如磁心损耗为发热主体，使变压器温度上升，而温度上升又导致磁心损耗进一步增大，从而形成恶性循环，最终将使功率管和变压器及其他一些元件烧毁。
因此国内外在研制功率铁氧体时，必须解决磁性材料本身功率损耗负温度系数问题，这也是电源用磁性材料的一个显著特点。
热设计要点1、热设计中常用的几种方法为了将发热器件的热量尽快地发散出去,一般从以下几个方面进行考虑: 使用散热器、冷却风扇、金属pcb、散热膏等.在实际设计中要针对客户的要求及最佳合理地将上述几种方法综合运用到电源的设计中。
2、半导体器件的散热器设计由于半导体器件所产生的热量在开关电源中占主导地位,其热量主要来源于半导体器件的开通、关断及导通损耗。
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1 2 2 2 2 P d BW f W 6r
d —— 密度，单位体积材料的质量
r —— 磁芯的电阻率
注： 涡流损耗取决于材料的截面尺寸和电阻率。 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，可将低电阻率的磁合金材料碾轧成薄带，用 相互绝缘的n 片薄带叠成相同截面积磁芯代替整块磁芯。
• 居里温度 TC
1 —— 温度为T1时的磁导率 2 ——温度为T2时的磁导率
• 铁磁物质的磁化强度随温度过度升高将会下降，当达到 某一临界温度时，自发磁化（即磁畴）便消失，这一临 界温度称居里温度。 在 - T曲线上，80％的 max与20％max连线与 =1的交差点相对应的温 度，即为居里温度。
• 矫顽力 HC
• 磁芯从饱和状态去除磁场后，继续反向磁化直至磁感 应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力或保磁 力。
14
4.1 磁性材料的概述
• 温度系数
• 温度系数为温度在T1~T2范围内变化时，温度每变化 1 ℃ ，磁导率的相对变化量。
2 1 1 (T2 T1 ) 1 T2 T1
注： 磁滞损耗是不可恢复能量，转化为热能消耗掉。 每磁化一个周期，就要损耗与磁滞回线包围面积成正比的能量， 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 磁性材料的概述
• 涡流损耗
• 是交变磁场在磁芯中产生环流引起的欧姆损耗。
EI形 罐形 EC形
EE形
PQ形
U形
• • • •
磁芯的使用一定要在居里温度以内； 综合考虑磁导率、脆度、硬度、温度稳定性等因素； 最后考虑工作频率和噪声； 铁氧体在磁场作用下，会使材料有收缩或膨胀现象， 称为磁致伸缩现象。
26
4.2 磁性材料
• 如果把罐形磁芯外圆切掉一部分，或与其他形状的磁 芯综合，则变成通风良好，解决罐形磁芯温升过高的 问题。
残留损耗是由磁 化延迟及磁矩共 振等造成，一般 可不考虑。
Ae ——有效截面积（mm2）
16
4.1 磁性材料的概述
• 磁滞损耗
• 每次磁化所消耗的能量。
PHห้องสมุดไป่ตู้ HdB
0
T
工程计算可用下式：
1.6 PH K h fBm
f —— 频率（kHz）
Bm —— 最大磁通密度
Kh ——比例系数，因材质而异
r H
r B
单位：安培/米 （ A/m）、奥斯特 （ Oe） 1 Oe =103/4π（ A/m）
11
4.1 磁性材料的概述
• 磁导率
• 表征磁场中磁性能的物理量，可用来衡量磁介质导磁 能力。磁导率μ在磁介质中不是常数。 （1）真空磁导率 0
μ
0 4 107 H / m
（2）初始磁导率i 是磁性材料的初始磁化曲 线始端磁导率的极限值，即
7
4.1 磁性材料的概述
• 饱和磁滞回线
磁化的不可逆性
将磁性材料沿磁化曲线OS 由 完全去磁状态磁化到饱和Bs，如再 将外磁场H 减小，B 值将不再按照 原来的初始磁化曲线（OS）减小， 而是更加缓慢地沿较高的B 减小。 即使外磁场H=0 时，B≠0。这种磁 化曲线与退磁曲线不重合特性称为 磁化的不可逆性。
9
4.1 磁性材料的概述
• 磁通 f
• 穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总和。
f df B cos dS
S S
B
n
α
或
f BS
单位：韦伯（1Wb=1VS（伏秒））
S
dS
麦克斯韦（Mx）
1 Wb =108 Mx
10
4.1 磁性材料的概述
• 磁场强度 H
• 在任何磁介质中，磁场中某点的磁感应强度B与同一点 的磁导率μ的比值称为该点的磁场强度H。
23
分类
特点
形状规格
4.2 磁性材料
磁芯的分类 • 按使用时磁化过程所产生磁力线的路径，磁芯可分为 开路磁芯和闭路磁芯两类。
• 开路磁芯
• 这类磁芯的磁路是开启的，通过磁芯的磁通同时要通 过周围空间（气隙）才能形成闭合磁路。 • 磁阻很大，磁路各个截面上的磁通不相等 • 磁芯有效磁导率比初始磁导率有所降低 • IEC1332称开路磁芯为OP类磁芯。
开 关 电 源中 的 高 频 磁元 件设计
1
参考文献
[1] 张占松，蔡宣三 .开关电源的原理与设计，电子工业出版社
第5章 磁性元件的特性与计算
[2] 赵修科. 开关电源中磁性元器件
4.1 磁性材料的概述
磁元件在开关电源中的作用
• 当变压器使用
• 电气隔离、能量传递、根据变比不同，实现升、降压 • 电压、电流互感器 • 多脉波整流
非晶态合金 • 非晶合金是近20年刚刚发展起来的一种新型磁性材 料
组成 由两类元素组成：一类是铁磁性元素（铁、钴、镍或者他们的 组合），它们用来产生磁性；另一类是硅、硼、碳等，它们称 为类金属，也叫做玻璃化元素，有了它们，合金的熔点比纯金 属降低了很多，才容易形成非晶。 铁基非晶合金；铁镍基非晶合金；钴基非晶合金；铁基纳米晶 合金（超微晶合金）； 电阻率可达120~150μΩ，为冷轧硅钢片的3倍，但远不如铁氧 体； 电阻温度系数小，可以为零或负值； 居里温度高，可达350~700°C； 饱和磁密度高，可达1.2~1.6T，比铁氧体高得多； 由于比较脆，所以一般都制成环形或比较简单的闭合式C型 （近似矩形）铁芯。 一般都不开气隙，因为性能会变坏，导致损耗增加。
EP形
27
4.3 高频变压器设计方法
变压器的基本原理 • 变压器的结构
铁心
i1
+
Φ
+
i2
u1
–
u2
–
ZL
一次 绕组 一次绕组 绕组 二次绕组 变压器的电路
N1 单相变压器
N2
二次 绕组
铁心
由高导磁硅钢片叠成 厚 0.35 mm 或 0.5 mm 变压器的磁路
28
4.3 高频变压器设计方法
• 变压器的工作原理
18
4.1 磁性材料的概述
• 电感系数 AL
• 电感系数是磁芯上每一匝线圈产生的自感量。
L AL 2 ( H / N 2 ) N
L —— 磁芯线圈的自感量（H）
N —— 线圈匝数
19
4.2 磁性材料
磁芯磁性能
• 按磁滞回线宽窄，把磁性材料分为软磁性材料和硬磁 性材料两大类。 • 开关电源主要应用软磁材料。
N1
2 1
i2 e2
+ + + u2 –e 2 – –
N2
Z
u1
i1 ( i1N1)
1
eσ1 Lσ1 di1 dt
有载时，铁心中 主磁通是由一 dΦ 次、二次绕组磁 e2 N 2 通势共同产生的 dt 合成磁通。
dΦ e1 N 1 dt
优点
缺点
21
4.2 磁性材料
• 磁粉芯
组成 是一种由几类材料复合而成的复合型铁芯
优点
缺点
由于是将磁性材料与非导磁材料粉末复合而成，相当于 在铁芯中加了气隙，具有在较高磁场强度下不饱和的特 点。
但其相对磁导率较低，通常在20～300之间，主要用于 制作滤波电感，其结构以环形为主。
22
4.2 磁性材料
（b）有外磁场情况 磁畴因受外磁 场作用而顺着外磁 场的方向发生归顺 性重新排列，在内 部形成一个很强的 附加磁场。
5
4.1 磁性材料的概述
磁性材料的磁化
磁场是电流产生的，而电流总是被磁场所包围
磁场方向 电流方向
磁场方向
右手定则
电流方向
6
4.1 磁性材料的概述
• 磁性材料的磁化过程
bc段是磁化曲线的膝部 C点以后是饱和段
磁滞现象
BS —— 饱和磁感应强度 Br —— 剩余磁感应强度 HC —— 矫顽力
8
磁感应强度B 的改变滞 后于磁场强度H 的现象称 为磁滞现象。
4.1 磁性材料的概述
磁性材料的基本特性 • 磁感应强度 B （磁通密度）
• 表征磁场中某一点的磁性强弱和方向的矢量
F B IL
方向：左手定则
单位：特斯拉（ T）、 高斯（GS），1 GS =10-4 T
μm μi
H
B i lim 0 H 0 H
12
1
4.1 磁性材料的概述
（3）有效磁导率r 在闭合磁路中，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的导 磁能力。
L l 7 e 10 4N 2 Ae
（4）最大磁导率m
L —— 线圈的自感量（mH） N——线圈匝数 Ae ——磁芯截面积（mm2） l ——磁路长度(mm)
B J 0 H
J ——磁化强度；
0——真空磁导率；
H——磁场强度。
ab段是上升段，不可逆
I= 2*pi*r*H F=A*H*q*v
oa段是线性段，可逆 曲线 A —— 0H B —— J C —— A+B，初始磁化曲线
ab段反映了铁磁材料的高导磁性， 磁导率可达102~104，由软磁材料组成 的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小 的电流即可获得较大的磁通。 c点以后说明铁磁材料具有磁饱和 性。 B不会随H的增强而无限增强，H 增大到一定值时，B不能继续增强。
24
4.2 磁性材料
• 闭路磁芯
• 这类磁芯的磁路是闭合的或基本闭合的，IEC1332称 闭路磁芯为CL类磁芯。
罐形