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电源适配器变压器及磁性元件设计

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电源适配器变压器及磁性元件设计

大家希望了解关于电源适配器设计的要求来选择最合适的拓扑,可以在前面文章查看。通常设计电源适配器选择电路拓扑时最需要考虑的是高网压时功率开关管承受的关断电压应力最小,而输出最大功率时过开关管的峰值电流最小。其他需要考虑的还有减少元器件数量、电源适配器成本以及整机体积。另外,如何减小射频干扰也是在选择拓扑和开关频率时需要考虑的一个因素。
电源适配器电路拓扑选定以后,就要确定电路的工作频率和电源适配器变压器磁心尺寸,确保在电源适配器变压器体积最小的情况下获得所需要的最大输出功率。要确定频率和电源适配器变压器磁心尺寸,首先要知道输出功率和电源适配器变压器各种参数之间的关系,如电源适配器变压器体积、磁心窗口面积、骨架绕线面积、峰值磁通密度、工作频率以及线圈电流密度等。下面的章节将对最常用的几种电路拓扑的这些关系进行推导,并给出计算公式。
上面所提到的这些关系可以写成公式的形式,根据这些公式可以选择电源适配器变压器磁心和工作顿率。一种方法是首先估算出所需磁心的大小和工作频率,然后根据所选磁心、频率以及相关参数计算出近似功率。如果这个功率不符合要求,就必须更改先前的假设,重新设定电源适配器变压器尺寸和工作频率,重复以上过程。由于这些参数彼此相关,所以必须经过大量计算才能得到满足要求的电源适配器变压器尺寸和工作频率。

另外一种更好的方法就是将公式转化为图表。图表中纵坐标参量为工作频率(每&kHz一格),横坐标参量为不同厂家生产的磁心参数,根据公式计算,纵轴与横轴的交点就是在这些参数下的输出功率。
沿着横轴方向,输出功率不断增加。这样由图表就能很容易的选定工作频率。只要沿着该频率所在行向右查找,找到的第一个满足功率要求的磁心即为所求。或者若满足尺寸要求的磁心已经选定,那么只要沿着该磁心所在的列向上查找,第一个满足输出功率要求的频率就是所需要的频率。
目前最常用的几家电源适配器厂商生产的不同磁心材料的磁心损耗随频率和峰值磁通密度变化的特性,讨论了现有的铁氧体磁心的几何结构以及各自的应用场合。也提供了铁损和铜损的计算方法,并对产生铜损的主要因素一邻近效应进行了阐述。最后还论证了电源适配器变压器温升与磁心损耗和铜损的关系。

品字尾电源适配器变压器磁心材料与几何结构、峰值磁通密度的选择
几种常用铁氧体材料的磁心损耗与频率和磁通密度的关系
大多数开关电源适配器的变压器都采用铁氧体磁心。铁氧体是一种具有晶体结构的陶瓷性铁磁材料,一般由氧化铁和锰或锌氧化物混合构成。因为它有很高的电阻率,所以铁氧体的涡流损耗可以忽略。有些铁氧体材料的磁心损耗主要来自磁滞损耗,如果磁滞损耗足够小,则这种材料可以用在1MHz以上开关频率的场合。目前市面上常用的铁氧体磁心主要来自几大厂家,如美国的 Ferroxcube- Philips、 Magnetics Inc。、 Ceramie Magnetics Inc。、 Ferrite International、Fairrite,以及其他国家的生产厂家如TDK、 sIemens、 Thomson-CSF、 Tokin等。
每个厂家都生产了一系列不同材料的磁心,采用不同的生产工艺可以得到不同优点的产品。有的磁心材料可以使工作在高频(>100kH)时的磁心损耗最小,有的可以使在高温下(如90°C)磁心损耗最小,还有的可以使在常用的高频和峰值磁通密度条件下的磁心损耗最小。但是,大多数厂家适用于功率电源适配器变压器的铁氧体的直流磁滞回线都是相似的。当温度为100°C时,它们都在3000G到3200G的范围内达到10%的饱和度,矫顽力在0.10~0.150e之间,剩余磁通密度约为900~1200G。

选择磁心材料的主要参考因素为磁心损耗(单位一般为mW/cm3)随频率和峰值磁密变化的曲线。以 Ferroxcube-Phip生产的3B3型磁心为例,图7。1给出了其磁心损耗曲线和直流磁化曲线。表列出了一些常用材料的磁心损耗值。
尽管没有特别说明,表中这些由磁心厂家提供的数据一般都是针对双极性磁路即磁通变化工作在磁滞回线一、三象限的电路(如推挽、半桥和全桥)而言的,而正激变换器和反激变换器仅工作在第一象限。
由于铁氧体的磁心损耗仅为磁滞损耗,而磁滞损耗又与磁滞回线所包含的面积成正比,因此可以想象,如果电路的磁场是单极性的,磁滞回线面积仅为双极性磁场的一半,那么在相同的峰值磁通密度下,磁心损耗仅为双极性电路的一半。
关于这一点,生产商之间还存在不少的争议。有的厂家认为在同样的峰值磁通密度下,单极性电路的磁心损耗只有双极性电路的1/4,他们认为单极性电路的磁通密度从零变化到最大磁通密度B_时,相当于双极性电路的磁通密度从最小值(-B2)变化到最大值(B/2)。而双极性电路中磁心损耗与峰值磁通密度变化的平方成正比,那么有着相同峰值磁通密度变化的单极性电路的磁心损耗应为双极性电路的1/4。
TDK提供的曲线显示,一个单极性电路磁通密度从零变化到B_时的磁心损耗与双极性电路的磁通密度从一B到+B=时的磁心损耗呈K倍关系。其中参数因子K与频率有关0kHz时为0.39,60kHz时为0.35,100kHz时为0.34。
磁滞回线面积只有双极性电路的一半(对单极性电路而言),那么其磁心损耗也应减半这个观点虽仍有争议但还是被大部分人所接受。这么看来,在峰值磁通密度相同的情况下表中所列单极性电路的损耗应该只有该表所示值的一半。


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| 发布时间:2019.04.10    来源:电源适配器厂家
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