DCDC模块电源的设计方法

1 B max Bdc B 2
铁磁材料的磁芯损耗的测量：
i(t) LCR Meter
+
u(t) -
根据实际工作的f和 ΔB画出磁芯的磁滞回线 （B-H），磁滞回线的面积即为磁芯损耗
R Q L
1/R代表了磁芯在小信号下的损耗大小。
1/ R
1 QL
Core characteristics analysis(1)
磁性材料的磁芯损耗：
磁滞损耗：由于磁畴翻转导致的损耗，主要与磁性材 料的性质有关。
涡流损耗：变化的磁通在磁芯形成涡流（感应电流） 导致的损耗，主要与磁性的结晶情况有关。
互相绝缘的硅钢片用来减少涡流损耗。
结晶晶粒较大，单晶导电性 好，涡流损耗大
结晶晶粒较小，涡流损耗小
变压器的设计步骤：
1. 2. 3. 根据变换器的性质和输入输出的要求, 确定变比 n 根据传输功率确定变压器的有效截面积Ae及窗口大小。 根据变压器的伏秒积确定原边匝数Np
Vin DT Np B Ae B : 0 . 2 ~ 0 . 3 T
4. 根据原边匝数确定副边匝数
Ns Np /n
5. 根据选定的匝数，重新计算ΔB，并由此估算变压器的磁芯损耗
P C f ( B ) V lo ss m m
6. 7.
根据选定的原副边匝数估算变压器的绕组损耗。 重新选取变压器的Ae及促窗口大小，直到变压器磁芯损耗和绕 组损耗之和最小。
输出电感的设计步骤：
1. 2. 3. 根据变换器的性质和输入输出的要求, 确定电感量 L 根据传输功率确定变压器的有效截面积Ae及窗口大小。 根据流过电感的最大电流确定匝数N
B max : 0 . 25 ~ 0 . 35 T L I peak N B max Ae
4. 根据匝数确定电感的气隙
n
根据法拉第电磁感应定理，二者是同一的：
d u(t ) dt
u(t) L
di (t) dt
r r ： 磁通，磁通密度，及磁芯的导磁率
真空：
φ
B r 0H
空气： 铁粉芯： 铁氧体：
r 1 r 1
10 ~ 1000 r
1 ~ 10 k r
在国际单位制中：B称为磁感应强度，单位：特斯拉 T H称为磁场强度，单位：安培每米 A/m
L
L
lc Hc la Ha NI
在气隙处磁通连续:
对于无气隙的电感:
r 0N2 Ae
lc
Hc Ae c r 0 c c Ha rHc Ha Ae a 0
对于有气隙的高导 磁率电感:
0 N 2 Ae
la
铁磁材料的饱和磁密：
I
磁路长度lc 磁场强度Hc
Hc Ae c r 0
NI Ae 0 lc / r la
所以:
N
截面积Ae 根据电感的定义：
气隙长度la 气隙强度Ha
0 N 2 I Ae lc / r la
LI
根据安培环路定理:
N
0 N 2 Ae L lc / r la
• • •
三种基本的隔离开关电源：
L Vin
Lm
D
Vo
Vin
D1
D2
Vo
S
S
Flyback Converter
正激型变换器
L D1 Vo
Vin
S2
S1
D2
桥式变换器
电感的电磁学定义：
电路的观点：
i(t) + u(t) -
di (t) u(t) L dt
磁场的观点：
i(t)
φ
φ
Li (t)
la
5. 6.
0 N2 Ae
L
根据选定的匝数，估算电感的绕组损耗 考察气隙la是否易于实施。
la
7.
lc r
la Ae
重新选取磁芯的Ae及促窗口大小，直到电感的绕组损耗最小， 气隙最适。
N
截面积Ae 磁芯中的磁场强度为： Hc 磁芯中的磁通密度为：
气隙长度la 气隙强度Ha
NI lcla r
B r 0Hc
当铁磁材料中的B增加到一定程度时，导磁率μ值 会变小，甚至导磁性消失 μ值变为1， 一般铁氧体 的饱和磁密为 0.3~0.5T. 增加气隙可以减小电感量，降低磁芯的磁通密度， 从而避免磁芯饱和。 铁磁材料的磁滞回线
7 4 10 o
φ
磁感应强度为B
面积为S
Bds
φ
BS
均匀磁场
s
称为磁通，磁通围绕电流构成一个闭合回路，且大小连续。
B又称为磁通密度
闭合的磁路及磁路中的气隙：
I
磁路长度lc 磁场强度Hc
lc Hc la Hc NI r
Hc NI lcla r
Ls 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 No.1
80 70 60 50 40 30 20 10 0 400kHz Q
400kHz
No.2
No.3
No.4
No.7
No.8
No.9
No.10
No.1
No.2
No.3
No.4
No.7
No.8
No.9 No.10
1/(L*Q) 0.00018 0.00016 0.00014 0.00012 0.0001 0.00008 0.00006 0.00004 0.00002 0 No.1 No.2 400kHz
铁磁材料的磁芯损耗：
ΔB ΔB
Bdc
变压器的工作区间
直流电感的工作区间
P C f( B )V lo ss m m


Vm : core volume Cm, α,β : provided by manufacture of magnetic core. α= 1~2 β= 2~3 for Philips 3F3 core.
DC/DC模块电源的设计方法 --功率电路的设计
开关电源的设计方法：
•
变压器设计
电感的设计 功率元件的选择 反馈方式的确定 控制芯片的外围电路设计 PI调节器的设计 辅助电源的设计 各种保护功能的设计 EMI及噪声抑制
1. 功率电路的设计
• •
2. 反馈回路的设计
• • •
3. 控制回路及辅助功 能的设计
Pc 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 No.1 400kHz,83mT
Pc(w)
No.3
No.4
No.7
No.8
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
No.9 No.10
No.2
No.3
No.4
No.7
No.8
No.9 No.10
High L*Q will lead to low core loss