電源適配器變壓器及磁性元件設計

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電源適配器變壓器及磁性元件設計

大家希望了解關于電源適配器設計的要求來選擇最合適的拓撲，可以在前面文章查看。通常設計電源適配器選擇電路拓撲時最需要考慮的是高網壓時功率開關管承受的關斷電壓應力最小，而輸出最大功率時過開關管的峰值電流最小。其他需要考慮的還有減少元器件數量、電源適配器成本以及整機體積。另外，如何減小射頻干擾也是在選擇拓撲和開關頻率時需要考慮的一個因素。
電源適配器電路拓撲選定以后，就要確定電路的工作頻率和電源適配器變壓器磁心尺寸，確保在電源適配器變壓器體積最小的情況下獲得所需要的最大輸出功率。要確定頻率和電源適配器變壓器磁心尺寸，首先要知道輸出功率和電源適配器變壓器各種參數之間的關系，如電源適配器變壓器體積、磁心窗口面積、骨架繞線面積、峰值磁通密度、工作頻率以及線圈電流密度等。下面的章節將對最常用的幾種電路拓撲的這些關系進行推導，并給出計算公式。
上面所提到的這些關系可以寫成公式的形式，根據這些公式可以選擇電源適配器變壓器磁心和工作頓率。一種方法是首先估算出所需磁心的大小和工作頻率，然后根據所選磁心、頻率以及相關參數計算出近似功率。如果這個功率不符合要求，就必須更改先前的假設，重新設定電源適配器變壓器尺寸和工作頻率，重復以上過程。由于這些參數彼此相關，所以必須經過大量計算才能得到滿足要求的電源適配器變壓器尺寸和工作頻率。

另外一種更好的方法就是將公式轉化為圖表。圖表中縱坐標參量為工作頻率（每&kHz一格），橫坐標參量為不同廠家生產的磁心參數，根據公式計算，縱軸與橫軸的交點就是在這些參數下的輸出功率。
沿著橫軸方向，輸出功率不斷增加。這樣由圖表就能很容易的選定工作頻率。只要沿著該頻率所在行向右查找，找到的第一個滿足功率要求的磁心即為所求。或者若滿足尺寸要求的磁心已經選定，那么只要沿著該磁心所在的列向上查找，第一個滿足輸出功率要求的頻率就是所需要的頻率。
目前最常用的幾家電源適配器廠商生產的不同磁心材料的磁心損耗隨頻率和峰值磁通密度變化的特性，討論了現有的鐵氧體磁心的幾何結構以及各自的應用場合。也提供了鐵損和銅損的計算方法，并對產生銅損的主要因素一鄰近效應進行了闡述。最后還論證了電源適配器變壓器溫升與磁心損耗和銅損的關系。

品字尾電源適配器變壓器磁心材料與幾何結構、峰值磁通密度的選擇
幾種常用鐵氧體材料的磁心損耗與頻率和磁通密度的關系
大多數開關電源適配器的變壓器都采用鐵氧體磁心。鐵氧體是一種具有晶體結構的陶瓷性鐵磁材料，一般由氧化鐵和錳或鋅氧化物混合構成。因為它有很高的電阻率，所以鐵氧體的渦流損耗可以忽略。有些鐵氧體材料的磁心損耗主要來自磁滯損耗，如果磁滯損耗足夠小，則這種材料可以用在1MHz以上開關頻率的場合。目前市面上常用的鐵氧體磁心主要來自幾大廠家，如美國的 Ferroxcube- Philips、 Magnetics Inc。、 Ceramie Magnetics Inc。、 Ferrite International、Fairrite，以及其他國家的生產廠家如TDK、 sIemens、 Thomson-CSF、 Tokin等。
每個廠家都生產了一系列不同材料的磁心，采用不同的生產工藝可以得到不同優點的產品。有的磁心材料可以使工作在高頻（>100kH）時的磁心損耗最小，有的可以使在高溫下（如90°C）磁心損耗最小，還有的可以使在常用的高頻和峰值磁通密度條件下的磁心損耗最小。但是，大多數廠家適用于功率電源適配器變壓器的鐵氧體的直流磁滯回線都是相似的。當溫度為100°C時，它們都在3000G到3200G的范圍內達到10%的飽和度，矯頑力在0.10~0.150e之間，剩余磁通密度約為900~1200G。

選擇磁心材料的主要參考因素為磁心損耗（單位一般為mW／cm3）隨頻率和峰值磁密變化的曲線。以 Ferroxcube-Phip生產的3B3型磁心為例，圖7。1給出了其磁心損耗曲線和直流磁化曲線。表列出了一些常用材料的磁心損耗值。
盡管沒有特別說明，表中這些由磁心廠家提供的數據一般都是針對雙極性磁路即磁通變化工作在磁滯回線一、三象限的電路（如推挽、半橋和全橋）而言的，而正激變換器和反激變換器僅工作在第一象限。
由于鐵氧體的磁心損耗僅為磁滯損耗，而磁滯損耗又與磁滯回線所包含的面積成正比，因此可以想象，如果電路的磁場是單極性的，磁滯回線面積僅為雙極性磁場的一半，那么在相同的峰值磁通密度下，磁心損耗僅為雙極性電路的一半。
關于這一點，生產商之間還存在不少的爭議。有的廠家認為在同樣的峰值磁通密度下，單極性電路的磁心損耗只有雙極性電路的1／4，他們認為單極性電路的磁通密度從零變化到最大磁通密度B_時，相當于雙極性電路的磁通密度從最小值（-B2）變化到最大值（B／2）。而雙極性電路中磁心損耗與峰值磁通密度變化的平方成正比，那么有著相同峰值磁通密度變化的單極性電路的磁心損耗應為雙極性電路的1／4。
TDK提供的曲線顯示，一個單極性電路磁通密度從零變化到B_時的磁心損耗與雙極性電路的磁通密度從一B到+B=時的磁心損耗呈K倍關系。其中參數因子K與頻率有關0kHz時為0.39，60kHz時為0.35，100kHz時為0.34。
磁滯回線面積只有雙極性電路的一半（對單極性電路而言），那么其磁心損耗也應減半這個觀點雖仍有爭議但還是被大部分人所接受。這么看來，在峰值磁通密度相同的情況下表中所列單極性電路的損耗應該只有該表所示值的一半。