开关电源各磁性元器件的分布参数
开关电源磁芯主要参数
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。
开关电源中磁粉芯认识, 铁氧体,粉芯, EMC,滤波电感
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。
开关电源中的磁性元
根据电源转换需求，设计变压器 的线圈匝数、绕组方式、铁芯尺 寸等参数，以实现电压和电流的
转换。
电感器设计
根据滤波和储能需求，设计电感器 的线圈匝数、绕组方式、磁芯尺寸 等参数，以实现电流的滤波和储能。
互感器设计
根据信号传输需求，设计互感器的 线圈匝数、绕组方式、磁芯尺寸等 参数，以实现电压和电流的测量和 传输。
磁性元件面临的挑战
高温环境
随着开关电源工作温度的升高，磁性元件需要具备更高的耐热性能 和稳定性，防止高温下性能下降或失效。
电磁干扰
开关电源中的磁性元件会产生电磁干扰，对周围电路和设备产生影 响，需要采取有效的电磁屏蔽和噪声抑制措施。
可靠性问题
在高频、高温和复杂环境下，磁性元件的可靠性面临挑战，需要加 强元件的材料、结构和工艺等方面的研究。
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未来磁性元件的研究方向
新材料研究
探索新型的磁性材料，如纳米材料、高磁导率材 料等，以提高磁性元件的性能和适应性。
集成化研究
研究磁性元件的集成化技术，实现多功能的集成 和优化，提高开关电源的整体性能。
智能化研究
研究磁性元件的智能化技术，实现自适应调节和 控制，提高开关电源的智能化水平。
THANKS FOR WATCHING
在开关电源中，磁性元件通常用于实现电压和电流的转换、储能和控制等功能，是开关电源的重要组成部分。
磁性元件的种类
变压器
用于实现电压和电流的转换，通常由两个或多个线圈 绕在磁芯上组成。
电感器
用于实现储能和控制，通常由线圈绕在磁芯上组成。
磁性材料
用于制造磁芯，常用的磁性材料有铁氧体、钕铁硼等。
磁性元件在开关电源中的作用
磁性元件的热设计
电源磁芯尺寸功率全参数
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。
开关电源中的磁性元件
开关电源中的磁性元件
Core Characteristics
BAe
flux in webers (1 weber = 1 tesla square meter) Slope = /F = P = permeance "Inductance Factor" in H / t2
F = H le
开关电源中的磁性元件
开关电源中的磁性元件
1 AcBel Confidential
开关电源中的磁性元件
Content
• • • • • • 典型的交流－直流电源的框图 电源的技术规格 电源中的关键磁性元件 常用的磁概念 磁性材料 电感和变压器
2 AcBel Confidential
开关电源中的磁性元件
v 0 time i 0 v Current (i)
• Voltage and current are related by: V = L di/dt.
• Slope of current = V /L. Positive voltage: Current ramps up. Negative voltage: Current ramps down.
开关电源中的磁性元件
法拉第定律的推导
D EN Dt
B Ae
B DB
D DB Ae 2B Ae
1 1 1 Dt T 2 2 f
E D 1 2 B Ae 1 4 B Ae f N Dt
2f
• 注意：该方程适用于方波（ Dt = 半个周期）。
技术规格
(100W 3Outputs)
• • • • • • 输入电压： 输入电流： 输入谐波： 保持时间： 浪涌电流： 输出：
开关电源电子元器件组成图解
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。
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摘要
•磁性元件对功率变换器的重要性
•磁性元件的设计考虑与相应模型
•磁性元件模型参数对电路性能的影响
•变压器的涡流(场)特性-损耗效应
•变压器的磁(场)特性-感性效应
•变压器的电(场)特性-容性效应
功率变换器中的功率磁性元件
•作用：起磁能的传递和储能作用，必不可少的元件
•特点：体积大，重量大，损耗大，对电路性能影响大
•挑战：对变换器功率密度影响很大，成为发展瓶颈
功率变换器技术与磁性元件
•拓扑: 正激，反激，推挽，全桥移相，LLC，等，磁集成，磁耦合；•控制: 控制芯片控制电路，变压器环节滤波器环节；
•封装: PCB绕组，绕组同步MOS, 超薄磁元件；
•元件: 有源器件，电容，磁性元件(设计定制)；
•仿真: 电路模型，器件模型(IC, MOS, Diode, Cap, 磁性元件)；•电磁兼容: 布板，EMI滤波器, 分布参数, 近场耦合；
•制造: 自动化, 磁性元件(人工制作)
•品质: 磁性元件测试，失效分析。
磁性元件的模型
变压器模型
电感器模型
反激变换器实际工作波形
DCM下波形与变压器参数
CCM下波形与变压器参数
电感分布电容EPC对损耗的影响
变压器中的磁场/涡流场分布特性
铜箔导体的涡流损耗特性
降低变压器的绕组损耗--基本结构考虑
不同绕组结构的磁场和电流密度分布
绕组的分布电容EPC
电感绕组分布电容的形成机理
电感绕组不同绕法对分布电容的影响
分布电容计算的基本方法
线圈分布电容的近似理论计算
多层线圈的分布电容
带屏蔽层的绕组分布电容
分段绕组的分布电容特性
变压器内部的电荷分布情况与分布电容
有屏蔽层变压器内部的电荷分布情况
变压器副边电荷的抵消设计
结论
•磁性元件技术对功率变换器是十分重要的；
•磁性元件的分布参数对电路性能（效率，功率密度和可靠性）具有重要的影响；
•从磁性元件内部的磁场、电场和涡流场层次，可以更深入完整地理解磁性元件的各项参数；。