開關(guān)電源中磁性元件的設(shè)計

1、第22卷第10期2008年10月常熟理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)）JournalofChangshuInstituteTechnology（NaturalSciences）Vol.22No.10Oct.,2008開關(guān)電源中磁性元件的設(shè)計姜菲菲，魯明麗，楊浩東（常熟理工學(xué)院自動化系，江蘇常熟215500）摘要：在了解磁性材料性能和高頻條件下磁性元件選用問題的基礎(chǔ)上，以變壓器的設(shè)計為例，研究了開關(guān)電源中磁性元件的工作特點和設(shè)計方法，為磁性元件的設(shè)計提供了參考.關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；磁性元件；反激變壓器中圖分類號：TM27文獻標(biāo)識碼：A文章編號:1008-2794（2008）10-0075-04開關(guān)電源是為微

2、電子產(chǎn)品中各種電路及元器件供電的電路1.現(xiàn)在，開關(guān)電源的體積小、重量輕、損耗小、效率高，在雷達、電子計算機、通信設(shè)備、電子儀器、家用電器中得到廣泛的應(yīng)用.隨著集成電路技術(shù)由大規(guī)模集成電路（LSI）、超大規(guī)模集成電路（VLSI）向超高速集成電路（VHSIC）發(fā)展，各種電子設(shè)備的體積顯著減小.開關(guān)電源的小型化成了電子設(shè)備的主要問題，而決定開關(guān)電源體積大小的主要部分是電抗器、變壓器等磁性元件.因此，磁性元件的設(shè)計是開關(guān)電源設(shè)計的關(guān)鍵.1開關(guān)電源中磁性元件的設(shè)計開關(guān)電源結(jié)構(gòu)中一般均包含變壓器、電感等磁性元件，由于變壓器和電感在硅集成電路中難以實現(xiàn)，只能將這些磁性元件置于集成電路之外，這就使得變換器體積

3、大，不利于小型化；提高頻率雖可減小磁性元件的尺寸，但高頻時損耗加大并影響輸出的穩(wěn)定性，使變換器整體抗干擾能力差.磁性元件在電路中起著傳遞能量或者儲存能量的作用，合理地設(shè)計磁性元件對電源的性能有著舉足輕重的影響.因此，開展對磁性元件的研究對開關(guān)電源的設(shè)計具有重要的意義.本文以船用開關(guān)電源為例，介紹電源高頻變壓器的設(shè)計方法.某船用電源要求輸入電壓V=60V120V；輸出電壓Uo=15V、5V；輸出電流Io=0.5A；最大損耗（絕對）2.5W；電路拓?fù)洳捎梅醇つＪ?；開關(guān)頻率f=100kHz；效率=80；變壓器傳輸功率P:20/80%=25W.要求重量輕、穩(wěn)定性好、可靠性高.根據(jù)設(shè)計要求，因單端反激式

4、開關(guān)電源具有線路簡單，所需要的元器件少，能夠提供多路隔離輸出等優(yōu)點，故采用基于TOPSwitch單端反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其原理圖如圖1所示.2開關(guān)電源中變壓器的設(shè)計收稿日期：2008-07-16基金項目：2007高等學(xué)校大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目（534）.作者簡介：姜菲菲（1986），女，江蘇連云港人，常熟理工學(xué)院自動化專業(yè)2004級學(xué)生.76常熟理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)）2008年開關(guān)電源中磁性元件的設(shè)計，通常是根據(jù)鐵芯的工作狀態(tài)，合理選用鐵芯材料.正確設(shè)計磁性元件的鐵芯及繞組參數(shù).所以設(shè)計磁性元件必須要選擇的參數(shù)包括鐵芯材料、鐵芯形狀尺寸和線圈的匝數(shù)和線徑等.設(shè)計變壓器時，應(yīng)當(dāng)預(yù)先知道具體的應(yīng)

5、用電路拓?fù)洹⒐ぷ黝l率、輸入和輸出電壓、輸出功率以及環(huán)境條件，同RLT時還應(yīng)當(dāng)知道所設(shè)計的變壓器允許多圖1基于TOPSWITCH的單端反激電路原理圖大損耗.總是以滿足最壞情況設(shè)計變壓器，以保證設(shè)計的變壓器在規(guī)定的任何情況下都能滿意工作.2.1選取鐵心材料軟磁鐵氧體有較高的磁導(dǎo)率易被磁化，即在一定線圈匝數(shù)時通過不大的激磁電流就能承受較高的外加電壓，因此輸出一定功率要求下，可減輕磁芯體積.鐵氧體材料是復(fù)合氧化物燒結(jié)體，電阻率很高可使渦流小，鐵耗小，適合高頻下使用，且成本低，常用在開關(guān)電源中，所以鐵心材料選擇鐵氧體.2.2選取鐵心形狀鐵心形狀有很多種.E形鐵心用途廣、繞線空間大、接線方便、用于高頻開關(guān)

6、電源時可顯著降低開關(guān)電源的體積和高度2，所以選取E形鐵心.2.3變壓器主要參數(shù)計算第10期姜菲菲，魯明麗，楊浩東：開關(guān)電源中磁性元件的設(shè)計7778常熟理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)）2008年2.4變壓器的繞制3為使初、次級繞組耦合好，漏感小，應(yīng)采用"初包次"的繞法.為了減小漏感引起的能量損失，應(yīng)將輸出電流較大的繞組靠近里層初級繞組.因為兩組觸發(fā)脈沖電源平均功率較小，為使其電壓一致性(亦即輕載穩(wěn)壓性能)較好，應(yīng)將兩組繞組并繞.若不夠繞滿一層，可采用多根并繞的方式使其繞滿一層，這樣雖然成本有所提高，但可有效地提高兩組脈沖電源的電壓一致性.根據(jù)上面的設(shè)計結(jié)果，選擇變壓器鐵心材料和鐵心形

7、狀及線徑，并按照計算結(jié)果繞制變壓器一次、二次側(cè)繞組，做出了有兩路輸出的單端反激開關(guān)電源，并且開關(guān)電源的性能穩(wěn)定，由此驗證了變壓器的設(shè)計是合理的，符合電路的要求.3結(jié)論由以上設(shè)計可看出，在開關(guān)電源中的變壓器主要起隔離、變換電壓和電流的作用，設(shè)計變壓器時主要需滿足變壓器所處理的功率和線圈銅損(由效率要求來決定)的技術(shù)指標(biāo).現(xiàn)代變壓器設(shè)計的關(guān)鍵就是尋求磁芯的最小尺寸以滿足上述要求而不致使磁芯的磁化特性進入飽和，并決定初、次級線圈匝數(shù)以及導(dǎo)線截面積.參考文獻：1韓廣興.開關(guān)電源電路識圖M.北京電子工業(yè)出版社,2007.2董峰斌，皇金峰.電力電子技術(shù)中磁性元件的設(shè)計J.現(xiàn)代電子技術(shù),2006,(11)：

8、123-125.3陳丹江，張仲超.電流驅(qū)動同步整流反激變換器的研究J.電源技術(shù)應(yīng)用,2003,6(6):277-279.MagneticComponentsDesignofSwitchingPowerSupplyJIANGFei-fei，LUMing-li，YANGHao-dongAbstract：Magneticcomponentsareoneofthemostimportantpartsofthepowersystem.Inordertofullyexploitthefunctionofthemagneticcomponents,knowledgeaboutthedesignofmagne

9、ticcomponentsmustbegained.Inthemostbasicunderstandingofthissubjectbasedontheconceptofmagneticandunderstandingperformancemagneticmaterialsandhigh-frequencymagneticcomponentsundertheconditionsoftheselectionissue,theswitchingpowersupplysysteminthemagneticcomponentsanddesignfeaturesoftheworkmethodsarestudied.WehopethispapercanhelppeopleunderstandthedesignofMagneticcomponents.Keywords:switchin