如何选择和设计磁性元.ppt

基本磁学术语 l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，用表示,=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，那么该平面的磁通量为=BSsin 。 Date 基本磁学术语 l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。 Date 基本磁学术语 l磁场强度： 在任何磁介质中，磁场中某点的磁感 应强度B与同一点的磁导率的比值称为该 点的磁场强度H ，即：H=B/。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。 Date 电磁的基本原理 Date 电磁的基本原理说明 l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。 l这就是我们简单的变压器雏形。 Date 磁滞回线 l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。 Date 磁滞回线说明 l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。 l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。 l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 。 Date 带气隙的磁回线图 Date 变压器的基本原理 Date 变压器的基本原理说明 l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。 Date 变压器的基本原理说明 l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， Date 变压器的重要参数 l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 Date 变压器设计参数 l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*BmaxfdAeAc)*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 Date 变压器设计参数 l计算变压器磁芯的公式： AeAc=(0.68PoutD)*10-1)/(fBmax) 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。 Date 铁氧体材料说明 l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； l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 Date 铁氧体材料的特征 l磁性是通过烧结这些金属化合物的混合 物而制造出来的； l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； Date 铁氧体材料主要的两种区分 l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： LP2:20150KHZ 中低频段 LP3:100500KHZ 中高频段（目前应用最广泛） LP4:5001000KHZ 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80100度时，损耗承负温度系数，因而可抑 制变压器的温升。 l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。 Date 磁芯的机构和选用 l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。 l主要说明见课本21页。 Date 设计高频变压器原则 l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。 Date 高频变压器磁芯的选择 l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=AWAe， 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 。 Date 设计变压器注意问题 l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。 l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？ Date 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。 l设计目标： 电源输入交流电压在180V260V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。 l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 Date 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。 Date 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=410Amm2。 Date 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。 Date 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13。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。 Date 设计高频变压器归纳 l减小初级绕组的匝数NP； l增大绕组的宽度（例如选EE型磁芯，以增 加骨架宽度b）； l增加绕组的高、宽比； l减小各绕组之间的绝缘层； l增加绕组之间的耦合程度。 Date 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。 Date 电源技术对变压器的要求 l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