如何选择和设计磁性元.ppt

2020 4 1 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 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 2020 4 1 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 2020 4 1 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 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 2020 4 1 电磁的基本原理 2020 4 1 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 2020 4 1 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 2020 4 1 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 2020 4 1 带气隙的磁回线图 2020 4 1 变压器的基本原理 2020 4 1 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 2020 4 1 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 2020 4 1 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 2020 4 1 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 m2Ae 磁芯的有效截面积 cm2 Ac 磁芯的窗口面积 cm2 2020 4 1 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 2020 4 1 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 2020 4 1 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 2020 4 1 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 2020 4 1 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 2020 4 1 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 2020 4 1 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 2020 4 1 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 2020 4 1 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Ipp2 求最小工作周期系数Dmin3 计算高频变压器的初级电感值Lp4 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Lg6 计算变压器初级线圈Np7 计算变压器次级线圈Ns 2020 4 1 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 2020 4 1 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 2020 4 1 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 2020 4 1 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 2020 4 1 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 2020 4 1 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 2020 4 1 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 2020 4 1 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 PtK5 100 2 0 17510 500 175 0 1550 1000 15 0 135100 5000 135 0 125500 10000 125 0 1