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電源適配器設(shè)計(jì)：用粉芯磁心材料設(shè)計(jì)扼流圈

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電源適配器設(shè)計(jì)：用粉芯磁心材料設(shè)計(jì)扼流圈

在設(shè)計(jì)歐規(guī)充電器過程中，可用磁導(dǎo)率更低的材料代替加氣隙的鐵氧體材料，這樣就不用加氣隙。本文將比較各種粉芯材料的基本特性，并研究如何用它們設(shè)計(jì)電源適配器的扼流圈。
在扼流圈的例子中，為防止較大直流偏置電流時(shí)磁心飽和必須用低磁導(dǎo)率材料。對于鐵氧體磁心，需要在磁路中加入氣隙以得到低磁導(dǎo)率，因?yàn)殍F氧體的磁導(dǎo)率很大。鐵氧體材料的初始磁導(dǎo)率在100~5000之間。根據(jù)不同的應(yīng)用場合，加氣隙可有效地將扼流圈磁心的磁導(dǎo)率降到10~500μ之間。
可用其他磁導(dǎo)率更低的鐵粉芯材料代替加氣隙的鐵氧體。粉芯磁心是在很大壓力下將獨(dú)立的鐵磁體顆粒壓縮成各種形狀和體積。磁性材料和非磁材料載體結(jié)合在一起，這種電絕緣材料可降低渦流效應(yīng)。因此，有效氣隙均勻地分散在材料體內(nèi)。這種分散氣隙可有效地降低初始磁導(dǎo)率，而通常初始磁導(dǎo)率在10~500間的磁心材料可用來設(shè)計(jì)扼流圈。
因?yàn)榇艑?dǎo)率是由加工過程決定，而不是可調(diào)整的分散氣隙，所以鐵粉芯材料磁導(dǎo)率通常是不連續(xù)的。由于鐵粉芯材料比鐵氧體材料的飽和磁通密度更高，并且磁導(dǎo)率更小，鐵粉芯材料儲存能量的能力比加氣隙的鐵氧體材料更大。所以對于這種材料，扼流圈可用體積較小的磁心，這樣可有效降低磁心損耗。
與上節(jié)加氣隙的鐵氧體扼流圈相比，離散氣隙還具有消除磁路的突然斷續(xù)的優(yōu)點(diǎn)。由于輻射磁場更均勻，相比于加氣隙的鐵氧體會在氣隙處產(chǎn)生局部過熱有很大的優(yōu)勢。雖然E形鐵粉芯磁心可通過加氣隙進(jìn)一步降低有效磁導(dǎo)率，但是一般很少這么做，因?yàn)榇艑?dǎo)率和損耗都更小的鐵粉芯材料通常是更佳的選擇。

影響鐵粉芯磁心材料選擇的因素
許多粉芯材料都可用做扼流圈磁心，但對于開關(guān)模態(tài)的扼流圈，一般選擇更普通的類型，其中包括鐵粉芯、MPP磁心及 Kool Mu磁心。這些材料有環(huán)形、E形、C形和棒狀形。，選擇的磁心材料要滿足幾個(gè)相互限制的性能參數(shù)，其中包括工作頻率、磁心損耗、飽和磁密、直流偏置電流與交流紋波電流比例、需要的電感、電流范圍、溫升和一些特殊的機(jī)械要求。
為什么這些參數(shù)會相互限制？由于這時(shí)很多材料都可以用，那么必然要在這些參數(shù)中尋求折中，若優(yōu)化一個(gè)就會損害另一個(gè)。例如，選擇低磁導(dǎo)率的材料可降低磁心損耗，但是增加了銅耗。所以為了得到最佳的選擇，必須評估不同材料的相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)應(yīng)用條件最重要的要求來選擇。為了提醒大家需注意哪些參數(shù)，下面回顧一下提到的一些重要參數(shù)。

粉芯材料的飽和特性
在用粉芯材料設(shè)計(jì)扼流圈之前，首先仔細(xì)研究可用作扼流圈磁心的各種材料，并比較它們的基本特性。圖給出了加氣隙的鐵氧體、鐵粉芯、MPP和 Kool Mu等材料的飽和曲線。
圖中水平軸H（奧斯特）與直流偏置電流或平均電流與匝數(shù)的乘積成正比，豎直軸B（mT）表明每種材料的平均磁通密度由決定。
設(shè)計(jì)扼流圈需要考慮的最重要參數(shù)是磁心飽和磁通密度。在鐵氧體的例子中，通過引入氣隙使磁導(dǎo)率降到60u。
提示：與通觀您相反，鐵氧體中的氣限并不改變飽和磁通密度B它只改變了心飽和時(shí)的磁場強(qiáng)度H。

由圖可知，各種磁心的飽和磁通密度由下到上依次為
①鐵氧體：0.35T；
②MPP：0.65T~0.8T；
③ Kool Mu：近1.0T；
④鐵粉芯：超過1.2T；
⑤ HigH flux（圖中未給出）：1.5T。
其中，T與G的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：1T=10C。
很明顯，若其他條件一樣，那么應(yīng)選擇飽和磁通密度更高的材料，因?yàn)檫@樣電感量更大，銅耗更低，但是，現(xiàn)在必須考慮材料損耗，再次分析圖。

 粉芯材料的損耗特性
圖給出了各種典型磁心材料的損耗特性。圖中顯示磁心損耗由交流磁通密度分量△B和施加于扼流圈的交流應(yīng)力決定，它是磁通密度的擺幅和頻率的函數(shù)。本例中，50kH處交流磁通的峰一峰值為200mT?？梢钥闯龈鞣N磁心的典型損耗由下到上依次為
①鐵氧體：近30mW／cm2；
②MPP：大約是鐵氧體損耗的3倍，近100mW／cm2；
③ Kool Mu：大約是鐵氧體損耗的6倍，近200mW／cm2
④鐵粉芯：大約是鐵氧體損耗的65倍，超過2000W／cm2
由此可知，選擇磁心損耗最小的材料與選擇飽和特性最大材料完全矛盾。實(shí)際上這兩種選擇直接沖突，所以必須在這兩種選擇之間折中考慮。
那么如何著手呢？幸運(yùn)的是，大多數(shù)情況下選擇還是很簡單的，所以下面仔細(xì)分析設(shè)計(jì)中常碰到的兩種極端情況。第一種情況，交流應(yīng)力很小，磁心損耗也很小，這時(shí)銅耗是限制設(shè)計(jì)的主要因素；另一種情況，交流應(yīng)力很大，這時(shí)磁心損耗是限制設(shè)計(jì)的主要因素。
對于交流應(yīng)力在大范圍變化的情況，在同一圖表中繪制各種材料最小選擇時(shí)的損耗曲線就可更好地得到各種材料相關(guān)性能對照表。
圖以交流磁通為變量，給出了工作頻率為50kH時(shí)，粉芯材料和鐵氧體材料的損耗曲線。本圖為各種材料損耗特性提供了最直接的比較。

50kH時(shí)以交流磁通為變量，鐵粉芯、MPP、 Kool Mu和典型P型鐵粉芯材料的損耗曲線。對于同樣的磁心種類，材料的磁導(dǎo)率越高損耗越大。并不是所有的材料都是這樣，所以對于某種特殊的磁心，設(shè)計(jì)者應(yīng)參考制造商的數(shù)據(jù)。

雖然也有一些例外，但是通常情況下，六級能效電源適配器廠家供應(yīng)粉芯材料磁導(dǎo)率越高，損耗也越大。即使對于同類材料也有非常大的差異，這主要由工作條件決定。但是，若考察50kHz時(shí)交流磁通峰值為0G（峰一峰值14000）的情況，損耗分別如下：
可以看出，這些材料的損耗變化了20倍。加氣隙鐵氧體的磁心損耗最小，并且磁導(dǎo)率變化時(shí)磁心損耗變化也最小。這是因?yàn)閷τ阼F氧體磁導(dǎo)率主要由氣隙決定，而磁心損耗是由鐵氧體材料的其他因素決定。各種粉芯材料和MPP磁心的磁心損耗隨磁導(dǎo)率的變化，發(fā)生了很大的變化，這是因?yàn)椴牧系慕Y(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。鐵粉芯材料的損耗最大，并且變化也最大，而KoM材料的損耗最小，并且變化也比較小圖中未給出）注意，由于一些特殊材料（本文未給出）可能并不具備這些規(guī)律，所以這時(shí)應(yīng)參考心制造商提供的數(shù)據(jù)。

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| 發(fā)布時(shí)間：2019.04.11    來源：電源適配器廠家
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