如何选择及设计磁性元件

2018/10/16
电源高频变压器的设计方法
设计高频变压器是电源设计过程中的难点，下面以反馈式电流不 连续电源高频变压器为例， 介绍一种电源高频变压器的设计方法。 设计目标： 电源输入交流电压在180V~260V之间，频率为50Hz，输出电 压为直流5V、14A，功率为70W，电源工作频率为30KHz。 设计步骤： 1、计算高频变压器初级峰值电流Ipp 2、求最小工作周期系数Dmin 3、计算高频变压器的初级电感值Lp 4、计算出绕组面积Aw和铁心有效面积Ae的乘积Aw*Ae,选择铁心尺寸。 5、计算空气间隙长度Lg 6、计算变压器初级线圈Np 7、计算变压器次级线圈Ns
基本磁学术语

磁通量： 垂直于某一面积所通过的磁力线的多 少叫做磁通量或磁通，用ф表示,ф=BS，单 位韦伯（Wb）。 如果磁感应强度为B，某平面的面积 为S，该平面与磁感应强度的方向间的夹 角为θ，那么该平面的磁通量为ф=BSsinθ。
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基本磁学术语

磁场：（国际电工委员会IEC的定义）电 磁场的组成部分，采用磁场强度H和磁通 密度B表示其特征。（我国国家标准定义） 磁场是一种场，其特征可在场内运动着的 带电粒子所受的力来确定，这种力源于粒 子的运动及其所带电荷。
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开关电源变压器的设计要点
高频变压器是单片开关电源 的核心部件，鉴于这种高频变压 器在设计上有其特殊性，为此专 门阐述降低其损耗及抑制音频噪 声的方法，可供高频变压器设计 人员参考。
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设计要点1
高频变压器是开关电源中进行能量储存与 传输的重要部件，单片开关电源中高频变压器性 能的优劣，不仅对电源效率有较大的影响，而且 直接关系到电源的其它技术指标和电磁兼容性 （EMC）。为此，一个高效率高频变压器应具 备直流损耗和交流损耗低、漏感小、绕组本身的 分布电容及各绕组之间的耦合电容要小等条件。 高频变压器的直流损耗是由线圈的铜损耗造成的。 为提高效率，应尽量选择较粗的导线，并取电流 密度J=4～10A／mm2。

2018/10/16
磁芯的机构和选用
磁芯的使用一定要一定的居里温度以内， 需用是要注意磁芯的结构、脆度、硬度、 稳定度、导磁率及磁感应强度。在设计时， 工作频率和噪声干扰应十分注意。在强磁 场力的作用下，磁性材料会发生收缩和膨 胀，很可能出现共振。因而要注意PCB板 的固定。 主要说明见课本21页。

2018/10/16
变压器的重要参数
为确保变压器在磁化曲线的线形区工作，可用下式计算 最大磁通密度Bmax： Bmax=（Vp）104/Kf*Np*Ae 公式中，Vp：加在变压器初级的电压，V； f：变压器的工作频率，Hz； Np：变压器初级线圈匝数； Ae：磁芯的有效截面积，cm2； K：正弦波4.44，矩形波4.0； 由上公式可得到初级线圈计算公式： Np= （Vp）104/Kf*Bmax*Ae

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设计高频变压器原则

设计高频变压器首先应该从磁芯开始。开关电 源变压器磁芯多是在低磁场下使用的软磁材料， 它有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁 导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电 流就能承受较高的外加电压，因此，在输出一定 功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低， 磁滞面积小，则铁耗也少。高的电阻率，则涡流 小，铁耗小。 铁氧体材料是复合氧化物烧结体， 电阻率很高，适合高频下使用，但Bs值比较小， 常使用在开关电源中。
设计变压器注意问题

设计中，在最大输出功率时，磁芯中的磁感应强度不应 达到饱和，以免在大信号时产生失真。 在瞬变过程中，高频链漏感和分布电容会引起浪涌电流 和尖峰电压及脉冲顶部振荡，使损耗增加，严重时会造 成开关管损坏。同时，输出绕组匝数多，层数多时，应 考虑分布电容的影响，降低分布电容有利于抑制高频信 号对负载的干扰。对同一变压器同时减少分布电容和漏 感是困难的，应根据不同的工作要求，保证合适的电容 和电感。用玻璃珠胶合剂粘接的高频变压器内部。采用 这种工艺可将音频噪声降低5dB。 知道了高频变压器的设计， 你是不是对对其它变压器 也有兴趣呢？
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电磁的基本原理
2018/10/16
电磁的基本原理说明
上图是一个简单的电路图，它由电源
V，开关S1和空心线圈表示的电感L 组成。开关闭合时，电流经导线进入 线圈，到导线流过线圈时就会在导线 周围建立磁场，磁场的强弱与线圈的 匝数有密切的关系，在磁场中，穿过 线圈的磁力线叫磁通。 这就是我们简单的变压器雏形。
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基本磁学术语

磁场强度： 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 ，即：H=B/μ。方向与磁 力线在该点处的切线方向一致,单位：安/ 米（A/m） 注意事项：磁场强度H与磁感应强度B 的名称很相似，切忌混淆。H 是为计算的 方便引入的物理量。
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带气隙的磁回线图
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变压器的基本原理
2018/10/16
变压器的基本原理说明
如上图所示，当电流流过绕在磁芯上
的线圈时，在磁芯内会产生磁通，如 果电流是周期性的变化，并且在磁芯 上还绕着第二个线圈（也成为次级绕 组），那么会在第二个线圈上感应出 电压和电流。
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设计高频变压器归纳
减小初级绕组的匝数NP； 增大绕组的宽度（例如选EE型磁芯，以 增加骨架宽度b）； 增加绕组的高、宽比； 减小各绕组之间的绝缘层； 增加绕组之间的耦合程度。

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高频电源变压器设计总结
以设计原则为出发点，可以对高频电 源变压器提出4项设计要求：使用条件， 完成功能，提高效率，降低成本。 总之，千万记住：高频电源变压 器是一种产品（即商品），设计原则是 在具体的使用条件下完成具体的功能中 追求性能价格比最好。检验设计的唯一 标准是设计出的产品能否经受住市场的 考验。
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设计要点2
高频变压器的交流损耗是由高频电流 的趋肤效应以及磁芯的损耗引起的。高频 电流通过导线时总是趋向于从表面流过， 这会使导线的有效流通面积减小，并使导 线的交流等效阻抗远高于铜电阻。高频电 流对导体的穿透能力与开关频率的平方根 成反比，为减小交流铜阻抗，导线半径不 得超过高频电流可达深度的2倍。可供选 用的导线线径与开关频率的关系曲线如图 1所示。
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一般简易计算Ae值的方法

一般常用的公式为： Ae=K*√ Pt 这里的K及Pt的对应关系： Pt K 5~10 0.2~0.175 10~50 0.175~0.15 50~100 0.15~0.135 100~500 0.135~0.125 500~1000 0.125~0.1
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设计要点3
在设计高频变压器时必须把漏感减至最小。因为漏 感愈大，产生的尖峰电压幅度愈高，漏极钳位电路的损 耗就愈大，这必然导致电源效率降低。对于一个符合绝 缘及安全性标准的高频变压器，其漏感量应为次级开路 时初级电感量的1％～3％。要想达到1％以下的指标，在 制造工艺上将难于实现。减小漏感时可采取以下措施： 在这个电路中，开关管的最大电流对电源输出功率的大 小有一定的限制 （通常应用于300W电源的MOS管体积 较大，有的电源甚至使用了耐流达到10A的开关管）， 而高频变压器各个绕组线圈的匝数比例则决定了输出电 压的多少，由于工作在很高的频率下，对元件质量的要 求和线路的搭配有很高的要求。
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高频变压器磁芯的选择

高频变压器的设计通常采用两种方法[3]： 第一种是先求出磁芯窗口面积AW与磁芯 有效截面积Ae的乘积AP（AP=AW×Ae， 称磁芯面积乘积），根据AP值，查表找出 所需磁性材料之编号；第二种是先求出几 何参数，查表找出磁芯编号，再进行设计。
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磁滞回线

每种磁性材料被磁化时，都会有一种S形 的曲线，称之为磁滞回线。
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磁滞回线说明



上图的磁滞回线一些关键点很重要，其定义为： Bmax：最大磁通密度； Hmax：最大磁场强度； Bres：磁场强度为0时的剩余磁通； He：矫顽磁力，或称把剩余磁感应强 度减少到 0的反向磁场。 从上图B-H曲线可见，Bmax是Hmax达到了定值的点， 在此点，即使磁场强度再增加，Bmax也不再增加了，这 点的磁感应强度的值称为磁饱和强度，用Bsat表示。 如果在磁芯中开一个气隙这个的Bsat要比不开气隙的 Bsat小的多，这也就使磁芯不容易饱和了，如下图所示。

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变压器设计参数
设计变压器时，有两个重要参数，一个是窗口面积， 它必须保证能够使导线绕满，并且损耗最小。第二个 参数是磁芯的功率输出能力。这两个参数的直接关系 式为： Pout=(1.16*Bmax· f· d· Ae· Ac)*10-5 公式中，Pout：磁芯的输出功率，W； Bmax：最大磁通密度，T； f ：变压器的工作频率,Hz； d：导线的载流密度，A/m2 Ae：磁芯的有效截面积，cm2； Ac：磁芯的窗口面积，cm2

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铁氧体材料的特征
磁性是通过烧结这些金属化合物的混合 物而制造出来的； 特点：电阻率远大于金属磁性材料，这 也就抑制了涡流的产生，所以可用在高 频领域；

2018/10/16
铁氧体材料主要的两种区分
低磁新损耗的LP（主要用在开关电源、DC-DC主变压器、输出 平滑扼流圈）按频率范围可分为： LP2:20~150KHZ 中低频段 LP3:100~500KHZ 中高频段（目前应用最广泛） LP4:500~1000KHZ 超高频段（为适应开关电源超高频的趋势而开 发的） 这类磁性材料主要在80~100度时，损耗承负温度系数，因而可抑 制变压器的温升。 高磁导率的HP（用于宽带变压器、脉冲变压器和电源噪声滤波 等小电流线性领域），按磁导率和损耗范围分： HP1和HP2：对损耗和高频特性要求较高； HP3: 对器件体积和电感量要求较高的。
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变压器的基本原理说明
一般情况下，高频变压器输出电压的大小与变压器的匝数 成正比，输出电流的大小与变压器的匝数成反比，并由下 式决定： Np/Ns=Vp/Vs=Is/Ip 公式中，Np：变压器初级线圈Lp的匝数； Ns：变压器次级线圈Ls的匝数； Vp：加在变压器初级的电压，V； Vs：在变压器次级产生的电压，V。 变压器按照其次级绕组输出的电压是高于其输入电压 还是低于其输入电压而分为升压变压器和降压变压器，有 的变压器输出有很多绕组，

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变压器设计参数

计算变压器磁芯的公式： Ae· Ac=((0.68Pout· D)*10-1)/(f· Bmax) 单 位为cm4 这里的，D=1.27*106/d 次参数一般由 漆包线厂家给出，圆密耳每安培。
2018/10/16
铁氧体材料说明
铁氧体生产厂家： 1）国内：南京新康达、北京798厂、西安三 联、南京金宁； 2）国外：日本TDK、德国SIMENS、美国 FERPOCUBE； 铁氧体化学分子为MFe2O4，这里的M代表： 锰、镍、锌、铜等二价金属离子
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电源技术对变压器的要求

电源技术对变压器的要求，像所有作为商 品的产品一样，是在具体使用条件下完成 具体的功能中追求性能价格比最好。有时 可能偏重价格和成本，有时可能偏重效率 和性能。现在，轻、薄、短、小成为电子 变压器的发展方向，是强调降低成本。从 总的要求出发，可以对变压器得出四项具 体要求：使用条件，完成功能，提高效率， 降低成本。