非晶、纳米晶磁心选型设计

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1、非晶、纳米晶磁心选型设计 Design for selecting amorphous and nanocrystalline core type Http:/www.big- 2004 年 07 月 28 日 10:38 1 引言 本文介绍用于磁放大器、尖峰抑制器、滤波电感、有源 PFC 电感等器件采用的非晶、纳米晶 磁心的选型设计。 2 电压调节器中磁放大器磁心选型设计 2.1 磁心选型设计 a、已知条件：输出电压 V0、输出电流 I0、工作频率 F、占空比 Dmax。 b、决定变压器的次级电压（以单端正激电路为例） ViV0（1+KC）+VF/Dmin （1） Vi：变压器次级电压，KC

2、：富裕系数或称调节余量（通常取 0.2），VF：整流二极管压降， Dmin：最小占空比（发生在输入电压最大时），V0：要求的输出电压。 c、决定被砍掉的电压（被调节的电压）Vreg Vreg= ViDmax- V0= V1 - V0 （2） 式中 V1=ViDmax。 d、计算磁心所需的磁通量 V0= ViDmax-V 砍= ViDmax- Vreg = Vi(ton/T)-Vi(t/T) Vreg= Vit/T 由电磁定律知 Vit= VregT=Vit= 写成= Vreg/F （3） 最后得到被砍掉电压折算成磁通量的式子，即电路调节中所需磁通量为。 磁心的单匝磁通量为 2m（有时简称 m）

3、今设计磁通量为，则总有一个 N 存在使： N （4） e、选择磁心的尺寸 （1）先选择内径 设磁心的窗口面积为 Wa。其中的一部分面积是由导线的截面积充填占据。充填系数用 Kf 表示， 也叫有用系数，Kf 常取 0.4。就有 WaKf=所绕 N 条导线的截面积。 已知输出电流为 I0，导线的电流密度为 J，则一条导线所占面积为 I0/J。设绕了 N 匝，则 WaKf=NI0/J，写成： Wa= NI0/J Kf （5） 式(4)决定了磁心的内径.因为一个确定的窗口面积 Wa，必有一个确定的磁心内径与之对应。 公式(5)是用电流 I0 等已知参数计算出了窗口面积 Wa。从而选定了磁心内径。 （2

4、）选择外径 由式（5）已知 Wa= NI0/(J Kf) 当 Kf=0.4，J=6A/mm2 时，Wa=NI0/2.4 将此式左边乘以 Nm,右边乘以（Nm=），则有 NmWa=NI0/ (Kf J)，两边约去 N 得： mWaI0/ (Kf J) (6) 而I0/ (KfJ)是电路设计时计算出来的。一款磁心其 mWa 的值使（6）式成立。 则外径也选定了。 由于 m=BAe Ae 是磁心的有效截面积。 Ae= (外径内径)/2hK（K 称充填系数，通常在 0.7-0.8 之间），h 是磁心高度。 当 Wa 确定后，内径也就确定了。 于是 Ae 只与外径和磁心高度有关了。 当 h 选定后，一个

5、确定的 Ae 就有一个确定的外径。 这样由I0/ (KfJ)的计算值就确定了磁心的尺寸。 f、决定匝数 N 先求最小匝数 Nmin 由式（3）知 Nm。式中的 m 是由(3)式计算出来的最小磁通量。或 N min/m，则： Nmin=min/m(取整数) (7) 现在求 Nmax 式（4）中的=Vreg/F 或 V 砍/F 而 Vreg=V 砍=V1-V0=VSDmaxV0，(式中 V1 为最大输出电压)，得 V0= VSDmaxV 砍 当 V 砍= VSDmax 时，V0=0，即是说磁心的调节作用最多只能把 VSDmax 这个电压砍掉，此 时的max=V 砍 max/F=VSDmax/F m

6、ax= VSDmax/F= V1/F (8) 此时 Nmax=max/m (9) g、决定导线直径 D 设绕线采用单股则导线截面积 Aw=I0/J 由 I0 计算出的导线截面积 Aw=I0/J0 由导线直径计算出的截面积 Aw=D2/4 两个截面积应相等，得到 D2/4=I0/J ，D=（4I0/J） 设 J=6 A/mm2,则 d=0.46 I0 h、计算死角 当正向电流来到时，我们希望磁心立即饱和，但这办不到，只有当正向电流到达一定值， H=HS 时磁心才饱和或者说只有当磁心的 B 值从 Br 到达 Bm 时，才能饱和，从 Br 到 Bm 差（1- Br/Bm）到达 Bm，磁通量差 m（1

7、-Br/BM）到达 m，N 匝线圈就差 Nm（1-Br/BM） 到达 Nm，当变压器次级电压为 Vi 时，则 Nm（1-Br/BM）=Vi*td 注意 Nm（1-Br/BM）也是一个磁通量，它等于电压和时间的乘积，变换上式得到： td= Nm（1-Br/Bm）/Vi (10) td 被称为死时间。 Vi*td/T= Vd (11) 称 Vd 为死角电压。（T 为周期） 有点象二极管的管压降一般，每个磁心都有，且和工作频率有关。 Vd= Vi* td/T= Vi tdf， f 越大，td 越大。 如果下式满足，则死角影响可以忽略： 即 Vi=V0（1+KC）+VF+Vd/Dmin KC 为富裕系

8、数 VF 为整流二极管压降 Vd 为死角电压 i、计算复位电流 磁滞回线负 x 方向任意一点所对应的反向磁场 Hr=NIr/Al la：磁心有效磁路长度（米） Ir=Hrla/N （A） 式中 Hr 单位为 A/M(安/米) la 单位为 M Ir 单位为 A 要求得 Ir 必须知道 Hr，有两种求法： 1）取 Hr=HC 磁心的矫顽力，则： Ir=Hcl/N (12) 2）Hr 可由min 或max 计算出 （min、max 分别由 3、8 式计算出） Hr=0.1502（fsw）0.57()0.7/(NAe)0.779.6 (13) (乘以 79.6 是将奥斯特化成安/米。) 再由式（12

9、）计算复位电流。 3 采用可饱和磁心作调节元件 三种典型电路中 a、被砍去电压 Vreg 的计算公式 b、所需磁通量 的计算公式 3.1 单端正激电路(半波整流电路) 已知：VS：变压器次级对地电压，V0：输出电压，Dm：最大占空比，F：工作频率。被砍去电 压由下式计算： Vreg=VS-V0， 所需磁通量由下式计算： min=(VSDm-V0)/F max=(VSDm)/F 3.2 全波整流，单边磁心调节 因为输出 V0 是两个半波整流输出的共同贡献。其中一个半波的贡献是 VSDm，带有磁心的另 一半波贡 献是 VSDm-Vreg，(VS 是对地电压) V0=VSDm+(VSDm-Vreg)

10、 我们只须研究被砍掉电压的那个半波整流的情况，这个半波的输出等於总输出 V0 减去另一半 波的输出； 即 VSDm-Vreg=V0-VSDm， 则被砍去电压：Vreg2VSDm-V0 对於 ATX 电源 (2VSDm)=5v，V0=3.3v，Vreg=1.7v。 所须磁通量： min=Vreg/F=(2VSDm-V0)/F max(VSDm)/F。 (对於通常的 ATX 电源 VSDm=2.5v) 3.3 全波整流双边磁心调节 因为输出 V0 是两个半波的共同贡献，且认定这两个半波是完全对称的，相等的，所以只要讨 论一个半波电路中的磁心就可以了。 V0=V0/2+V0/2 一个半波的输出电压表

11、达式是： V0/2=VSDmax-Vreg 所以被砍电压 Vreg=VSDma-V0/2=(2VSDm-V0)/2 对於 ATX 电源 2VSDm=5v，V0=3.3v。 所须磁通量min=(2VSDm-V0)/2/F =(2VSDm-V0)/2F max(VSDm)/F 4 磁心选型设计软件使用方法 4.1 软件使用说明 本软件是在 Excer 基础上编写的，是想让更多的使用者容易掌握，达到普及目的。 打开软件后可以明显看到三张“黄牌”，分别说明它们的使用范围，画面的左面有一个红色 表格写着必需输入和参考输入，使用中根椐情况选择使用输入方式。 4.2 软件的基本组成 基本分两大部分： a、“

12、已知电路参数和磁心参数”对磁心进行设计选型。 b、“只知道电路参数选求磁心型号” b完成后会告之你被选中的型号和 0I0 值。再查软件中所附的型号表可茯得 Ae，2m， 和 mWa 三个参数，将它再输入到a中去就可以对磁心进行设计了。当你不想使用被推荐 的型号时，可以根椐 0I0 值选择任何一厂家的产品(任何厂家的产品均有 mWa 值，它叫 Hamding Pawer，简写符号为 HPC，叫操作功率，也叫适用功率，也有叫总功率的)如果某磁心 的 mWa 值使下式成立 mWa0I0/2.4。则该磁心被选中，再将该磁心的参数输入到a中对磁心进行设计。 4.3 参数输入 当你在参考输入值的栏目中输入

13、必要的参数时，可以得到一些可供参考的设计结果，例 如对应於一倍，两倍可以得到不同的 N，B，P，Hr，Ir 供参考选用。 5 尖峰抑制器磁心选型设计 5.1 尖峰抑制原理 下面仅以二极管产生尖峰来讨论。当二极管从导通转向截止后，该二极管并不马上截止，而 要等待一段时间，此称反向恢复时间记为 trr ，当电路进入另一半周时，在 trr 时间内将发 生短路而产生尖脉冲，承受着反向电压 VC ，产生了电压和时间的乘积 VCtrr ，就可以用 磁通量 来描述。 在电路中，如果在二极管的阴极串接一只小磁心或一只小磁珠，只要此小磁珠的磁通量 m ，或绕 N 匝线后的小磁心若能使(Nm) 不等式成立，就能抑

14、制尖峰产生。因为当二极管正向导通时，磁心或磁珠已正向处於饱和，其饱和磁通量为 m 或 Nm ，当 二极管反向时只获得 VCtrr 的磁通量不足以抵消正向饱和磁通量，就这样达到吸收 尖峰的目的。 5.2 选择尖峰抑制器的必要条件 a、二极管或其它组件在电路中承受的反向电压为 VC b、二极管或其它组件的反向恢复时间为 trr c、通过组件的电流为 I 由此得到出现尖峰时的伏秒乘积 VCtrr 5.3 选择磁心 a、对於磁珠，由於它的有效截面积和体积很小只能穿过一根线，磁通量 m 也小，所以只适 合输出电压 V0=12v 的场合，此时二极管所承受的反向电压为 VCV0/D (D 为占空比)，应用

15、於此场合只要求磁珠的 mVctrr 就行。 b、 对於磁环 先计算二极管反向承受电压 VC 与反向恢复时间 trr 的乘积 C 。 选择磁心大小使其 mWa1.5C I 就行，(Wa 为窗口面积)。 绕线匝数 N，N 取三倍 C/m 即 N3(C/m)取整数。 选择导线直径 D D0.46I 6 滤波电感选型设计(仅对降压式变换器) 6.1 临界电感的计算 a、临界电感的定义和计算 下面讨论半波整流滤波临界电感 当滤波电感中的最大电流 Imax,最小电流 Imin 的平均值,即(Imax-Imin)/2=Io=Vo/R 时，其对 应的电感值称临界电感。并且是最小值。 设变压器次级电压为 Vs 输出功率为 P0(w)=V0I0。 工作频率为 F(hz)。周期为 Ts。 输出电压为 V0(V)。负载电阻为0 占空比为(%)。=1-