电源适配器设计：用粉芯磁心材料设计扼流圈

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电源适配器设计：用粉芯磁心材料设计扼流圈

在设计欧规充电器过程中，可用磁导率更低的材料代替加气隙的铁氧体材料，这样就不用加气隙。本文将比较各种粉芯材料的基本特性，并研究如何用它们设计电源适配器的扼流圈。
在扼流圈的例子中，为防止较大直流偏置电流时磁心饱和必须用低磁导率材料。对于铁氧体磁心，需要在磁路中加入气隙以得到低磁导率，因为铁氧体的磁导率很大。铁氧体材料的初始磁导率在100~5000之间。根据不同的应用场合，加气隙可有效地将扼流圈磁心的磁导率降到10~500μ之间。
可用其他磁导率更低的铁粉芯材料代替加气隙的铁氧体。粉芯磁心是在很大压力下将独立的铁磁体颗粒压缩成各种形状和体积。磁性材料和非磁材料载体结合在一起，这种电绝缘材料可降低涡流效应。因此，有效气隙均匀地分散在材料体内。这种分散气隙可有效地降低初始磁导率，而通常初始磁导率在10~500间的磁心材料可用来设计扼流圈。
因为磁导率是由加工过程决定，而不是可调整的分散气隙，所以铁粉芯材料磁导率通常是不连续的。由于铁粉芯材料比铁氧体材料的饱和磁通密度更高，并且磁导率更小，铁粉芯材料储存能量的能力比加气隙的铁氧体材料更大。所以对于这种材料，扼流圈可用体积较小的磁心，这样可有效降低磁心损耗。
与上节加气隙的铁氧体扼流圈相比，离散气隙还具有消除磁路的突然断续的优点。由于辐射磁场更均匀，相比于加气隙的铁氧体会在气隙处产生局部过热有很大的优势。虽然E形铁粉芯磁心可通过加气隙进一步降低有效磁导率，但是一般很少这么做，因为磁导率和损耗都更小的铁粉芯材料通常是更佳的选择。

影响铁粉芯磁心材料选择的因素
许多粉芯材料都可用做扼流圈磁心，但对于开关模态的扼流圈，一般选择更普通的类型，其中包括铁粉芯、MPP磁心及 Kool Mu磁心。这些材料有环形、E形、C形和棒状形。，选择的磁心材料要满足几个相互限制的性能参数，其中包括工作频率、磁心损耗、饱和磁密、直流偏置电流与交流纹波电流比例、需要的电感、电流范围、温升和一些特殊的机械要求。
为什么这些参数会相互限制？由于这时很多材料都可以用，那么必然要在这些参数中寻求折中，若优化一个就会损害另一个。例如，选择低磁导率的材料可降低磁心损耗，但是增加了铜耗。所以为了得到最佳的选择，必须评估不同材料的相关参数，并根据应用条件最重要的要求来选择。为了提醒大家需注意哪些参数，下面回顾一下提到的一些重要参数。

粉芯材料的饱和特性
在用粉芯材料设计扼流圈之前，首先仔细研究可用作扼流圈磁心的各种材料，并比较它们的基本特性。图给出了加气隙的铁氧体、铁粉芯、MPP和 Kool Mu等材料的饱和曲线。
图中水平轴H（奥斯特）与直流偏置电流或平均电流与匝数的乘积成正比，竖直轴B（mT）表明每种材料的平均磁通密度由决定。
设计扼流圈需要考虑的最重要参数是磁心饱和磁通密度。在铁氧体的例子中，通过引入气隙使磁导率降到60u。
提示：与通观您相反，铁氧体中的气限并不改变饱和磁通密度B它只改变了心饱和时的磁场强度H。

由图可知，各种磁心的饱和磁通密度由下到上依次为
①铁氧体：0.35T；
②MPP：0.65T~0.8T；
③ Kool Mu：近1.0T；
④铁粉芯：超过1.2T；
⑤ HigH flux（图中未给出）：1.5T。
其中，T与G的转换关系为：1T=10C。
很明显，若其他条件一样，那么应选择饱和磁通密度更高的材料，因为这样电感量更大，铜耗更低，但是，现在必须考虑材料损耗，再次分析图。

粉芯材料的损耗特性
图给出了各种典型磁心材料的损耗特性。图中显示磁心损耗由交流磁通密度分量△B和施加于扼流圈的交流应力决定，它是磁通密度的摆幅和频率的函数。本例中，50kH处交流磁通的峰一峰值为200mT。可以看出各种磁心的典型损耗由下到上依次为
①铁氧体：近30mW／cm2；
②MPP：大约是铁氧体损耗的3倍，近100mW／cm2；
③ Kool Mu：大约是铁氧体损耗的6倍，近200mW／cm2
④铁粉芯：大约是铁氧体损耗的65倍，超过2000W／cm2
由此可知，选择磁心损耗最小的材料与选择饱和特性最大材料完全矛盾。实际上这两种选择直接冲突，所以必须在这两种选择之间折中考虑。
那么如何着手呢？幸运的是，大多数情况下选择还是很简单的，所以下面仔细分析设计中常碰到的两种极端情况。第一种情况，交流应力很小，磁心损耗也很小，这时铜耗是限制设计的主要因素；另一种情况，交流应力很大，这时磁心损耗是限制设计的主要因素。
对于交流应力在大范围变化的情况，在同一图表中绘制各种材料最小选择时的损耗曲线就可更好地得到各种材料相关性能对照表。
图以交流磁通为变量，给出了工作频率为50kH时，粉芯材料和铁氧体材料的损耗曲线。本图为各种材料损耗特性提供了最直接的比较。

50kH时以交流磁通为变量，铁粉芯、MPP、 Kool Mu和典型P型铁粉芯材料的损耗曲线。对于同样的磁心种类，材料的磁导率越高损耗越大。并不是所有的材料都是这样，所以对于某种特殊的磁心，设计者应参考制造商的数据。

虽然也有一些例外，但是通常情况下，六级能效电源适配器厂家供应粉芯材料磁导率越高，损耗也越大。即使对于同类材料也有非常大的差异，这主要由工作条件决定。但是，若考察50kHz时交流磁通峰值为0G（峰一峰值14000）的情况，损耗分别如下：
可以看出，这些材料的损耗变化了20倍。加气隙铁氧体的磁心损耗最小，并且磁导率变化时磁心损耗变化也最小。这是因为对于铁氧体磁导率主要由气隙决定，而磁心损耗是由铁氧体材料的其他因素决定。各种粉芯材料和MPP磁心的磁心损耗随磁导率的变化，发生了很大的变化，这是因为材料的结构发生了变化。铁粉芯材料的损耗最大，并且变化也最大，而KoM材料的损耗最小，并且变化也比较小图中未给出）注意，由于一些特殊材料（本文未给出）可能并不具备这些规律，所以这时应参考心制造商提供的数据。

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| 发布时间：2019.04.11 来源：电源适配器厂家

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