直流滤波电感设计

1、电感设计开关电源中的直流输出滤波电感或能量传递电感开关电源中的直流输出滤波电感或能量传递电感一般是在带气隙的铁芯上绕线圈构成的，设计电一般是在带气隙的铁芯上绕线圈构成的，设计电感的任务就是在满足给定性能指标的情况下，确感的任务就是在满足给定性能指标的情况下，确定最好的铁芯结构、最小的几何尺寸、恰当的绕定最好的铁芯结构、最小的几何尺寸、恰当的绕组匝数、导线截面积和气隙长度等。组匝数、导线截面积和气隙长度等。限制参数（1）直流平均电流（2）纹波电流（3）直流铜耗确保电感器流过峰值电流时不饱和工作频率决定磁芯工作频率决定磁芯最大磁密和最大磁通摆幅最大磁密和最大磁通摆幅粗选磁芯形状和尺寸粗选磁芯形状和

2、尺寸决定损耗限制决定损耗限制计算匝数计算匝数计算气隙长度计算气隙长度计算导体尺寸和线圈电阻计算导体尺寸和线圈电阻计算线圈损耗，总损耗和温升计算线圈损耗，总损耗和温升电感设计步骤根据拓扑决定电路设计参数1、电感量L由纹波决定；2、满载直流电感电流的平均值决定磁芯的直流工作点；3、最大纹波电流的要求就是电感量的要求；4、最大峰值短路限制电流ISP，限制了最大磁密；5、最大允许损耗和温升就是损耗计算，主要是直流损耗，交流损耗较小。电感设计前的知识准备磁环：Toroid core铁粉芯材料，颜色表示不同的牌号硅钢silicon steel适合做电感的磁芯铁氧体 ferrite铁粉芯 iron powd

3、er铁硅铝FeSiAl Kool Mu，sendust高通磁粉芯High FluxMPP铁镍钼磁粉芯坡莫合金permalloy非晶合金amorphous磁粉芯开气隙的磁芯电感不同于变压器，要储存能量，开气隙和用磁粉芯的目的就是可以储存足够的能量。+Li (t)LiLt/s0i(t)DTsTsIp/AcRcRu(t)i（t）lc20cALN拓扑决定参数工作频率决定磁芯材料最大磁密最大磁通摆幅粗选磁芯形状和尺寸决定损耗限制由电感量计算匝数计算气隙长度计算导体尺寸和线圈电阻计算线圈损耗，总损耗和温升设计流程图【例题1】电流连续输出滤波电感设计（1）设计参数：5V/50A正激变换器的输出滤波电感。滤波

4、电感电压范围：13.35-25.33V输出：5V满载电流I0：50A电路拓扑：正激变换器开关频率f:200kHz最大占空度：0.405（Uimin）电感量L=2.2微亨最大损耗：2.5W最大温升：40冷却方式：自然对流最小占空度：0.213（Uimax）最大纹波电流：50*20%=10A最大峰值电流ISP=65A（2）应用制造厂手册选择磁芯材料磁芯材料：如：铁氧体3C90国内外生产磁性元件的厂家PHILIPSTDKSONY南京精研磁性科技有限公司浙江海宁天通公司SIMENS南京898厂金宁无线电器材厂MICROMENTALSMAGNETICSPHILIPS 铁氧体3C90 MnZn铁氧体材料特

5、性典型B/H曲线初始磁导率随温度变化曲线幅值磁导率随峰值磁密变化曲线ppaHB01)0(10HHBi（直流）HHB01影响因素:直流磁场的大小,磁心的几何尺寸、形状、温度。（3）决定磁芯最大磁通密度和最大磁通摆幅Bmax=3000Gs=0.3T最大磁通幅度取短路时峰值电流限制最大磁通密度maxmaxmaxmax100.30.046( )65pIBBTI最大磁通摆幅最大电流纹波10A最大峰峰值磁通摆幅对应于最大纹波电流100C功率比损耗随峰值磁密和频率的变化曲线不同频率和峰值磁密比损耗随温度变化曲线忽略二极管D1和D2的导通压降。TonU - U02-U0-ULTofToniL-ULToftt0

6、0电感L上的波形主变压器纹波频率为200KHz磁芯损耗近似4mW/cm3远小于100mW/cm3磁芯工作在Ipmax时磁通接近饱和。最大磁通摆幅max0.046BT(4)选磁芯形状和尺寸64max12.2 1065 500.74()0.3 0.03SPFLLIIAPcmBK单线圈电感K1=0.03满载电流50A峰值电流65AL=2.2微亨下面对系数K1做解释K1W初级铜面积/窗口面积K1假定线圈损耗比磁芯损耗大得多，自然通风冷却下，电流密度取420A/cm2时的经验值。K2假定线圈损耗和磁芯损耗相等，电流密度为292A/cm2,则K2=0.707K1。412max1,10WK Kjk线圈窗口利

7、用率自然冷却经验值K1线圈损耗等于磁芯损耗210.707KK损耗不严重时43Sp4FLWmax1()cLIIAPA AcmBKIsp最大峰值短路电流IFL初级满载电流有效值K1假定线圈损耗比磁芯损耗大得多，自然通风冷却下，电流密度取420A/cm2时的经验值。磁芯损耗严重时，损耗限制的磁通摆幅，面积乘积公式为434FLWmax2(cm )cIL IAPA ABK初级电流变化量最大磁通密度摆幅公式中的4/3次方说明：磁芯尺寸增加，磁芯和线圈（产生损耗）体积增加大于表面积（散热）的增加。因此磁芯体积大的功率密度降低。选择磁芯查表得到磁芯参数40.74ewAPA Acm计算需要值查表值40.971

8、1.231.2ewAPA Acm磁芯尺寸带骨架的窗口数据AW=1.23cm2bW=2.10cmhW=0.60cmlaw=6.10cm窗口宽度窗口高度平均匝长骨架型号：CPH-ETD34-1S-14P骨架材料:PBT阻燃加固引脚数：14最高工作温度155度绕组截面积123/mm2绕组最小宽度20.9/mm平均匝长60/mm(5)决定热阻RT和允许损耗磁芯损耗线圈损耗损耗热阻最大允许温升决定损耗lim/40/202.0W2.5WthPT R 磁芯比损耗34mW/cmp 20/thRK W磁芯损耗334mW/cm7.64cm30mWcePp V磁芯比损耗34mW/cmp 线圈损耗可以大于2WBmax

9、=3000Gs=30mT允许总损耗是2.5W（6）计算保证电感量所需要的匝数22maxmax2.2 1010104.9350.046 0.97eL INBA取5匝尺寸-cmL-微亨需要说明的是：电路中的滤波电感的电感量是由电感上的电压、电流脉动，电路的频率、电容大小、纹波要求等确定的。2240110ecpANLD2610 (H)LLN A1000匝线圈等效电感uHETD磁芯是圆形端面端面中柱直径（7）根据所需的电感量计算气隙长度24010gANL222010 (H)N ALN G校正气隙后的截面积cm2边缘修正后的有效截面积矩形端面长度单位cm24e0cp7241100.9741051100.

10、194cm2.21.11ANLD0.2cm将得到数据再代入上式进行校验，直到误差小于10%。ETD34的气隙截面是圆形截面，用下面的公式计算，并设（8）计算导体尺寸、线圈电阻、损耗和温升bW=20.9mmhW=（25.4-13.4）/2=6mm窗口宽度窗口高度50A/450=0.111cm2导体截面积导体厚度0.111/2.09=0.0555cm层间绝缘0.005cm线圈高度0.0555 50.005 50.3cm hW=0.60cm骨架高度没有充分利用线圈匝数N =5电流密度450A/cm2为减少损耗导体厚度0.1cm线圈总高度0.525cm导体截面积0.2cm2平均匝长6.1cm线圈总长6

11、.15=30.5cm630.52.3 100.35(m)0.2dclRA线圈电阻直流损耗23dc500.35 100.89WP计算线圈的交流损耗在频率200kHz时的穿透深度7.60.017cm200000 /0.1/0.0175.96Qd 有效面积减少倍数导体厚度d =0.1cmp=5层/100acdcRR1000.00035 1000.035acdcRR三角波交流电流分量有效值/ 1210/ 122.9AII 交流损耗为22ac2.90.0350.29WPI R线圈总损耗0.890.291.18WWP (9)总损耗为1.18+0.03=1.21W，远小于2.1W。满载时按损耗计算线圈的电流

12、密度为250A/cm2ETD34磁芯的面积乘积比计算值大了65%。可以选用更小一号磁芯。选ETD29试试。【例题2】磁粉芯电感设计举例设计一个磁粉芯电感，用于BUCK变换器输出滤波电感。为计算简单起见设输入电压为15伏，输出为5V/2A，工作频率250kHz。电感量为35微亨，电流从0变化到2A，允许磁芯磁通变化不超过20%，即电感量变化不超过20%，绝对损耗为300mW，自然冷却，温升40C。5/150.33D /(155)(0.33 4s)/35H=0.377AIU t L (1)计算电感量35/0.844HL临占空比纹波电流峰峰值磁芯损耗和线圈损耗各占一半150mW临界连续电感量为（2）

13、选择磁芯材质工作频率为250kHz，选择MPP磁粉芯材料，因为MPP材料的损耗低。还应注意磁导率随直流偏置加大而下降。（3）粗选磁芯尺寸选择Magnetics公司的MPP磁芯2235 20.14mJWLI2倍储能：77：铁硅铝55：MPP磁芯58：高通22235 20.14mHAWLI磁芯初始磁导率为300微亨，可选择55045-A2牌号的磁芯，参数如下：6L134(1 8%)mH/10A L/44/0.134/0.9218.9NL A22L19134 0.9244.5HLN A1000匝电感系数匝数匝数取整需核算电感取19匝电感系数8%的误差3.12cml 0.40.4 19 215.3Oe

14、3.12NIHl300 15.34590GsBH（4）计算磁通密度平均磁路长度CGS制的磁场强度磁通密度1 /0.4A cmOe单位换算由于直流滤波电感工作时有直流偏磁，这个直流偏磁会是磁芯的磁导率下降，用实际磁导率与初始磁导率的比值为纵坐标，横坐标为直流偏磁奥斯特Oe。（5）计算电感的变化量15.3OeH 直流偏置直流偏置H Hdcdc/(/(Oe）, ,1Oe0.796A/cm67%2A时电感量下降到如果想要增加电感量，需要增加匝数，但增加匝数会增加磁通密度，更增加电感量的变化，换一个更低磁导率的磁芯试验。44.567%29.8H0.40.4 19 215.3Oe3.12NIHlr125L

15、56(1 8)%mHA L/44/0.056/0.92=29.2NL A（6）第二次试算牌号55050-A2取29匝0.4 29 223.4Oe3.12H220.9285%56 0.92 2985%36.83HLLAN（7）再次计算磁通密度、磁导率变化量和匝数0.8523.4 125 0.852486GsBH校验实际电感量磁通密度直流偏磁影响计算电感的变化量23.4OeH 直流偏置（直流偏置（Oe）1Oe0.796A/cm85%（8）选择导线线圈的窗口面积0.383cm2，取充填系数为50%。2wCu/20.383/20.0066cm /29AAtN2匝=0.66mm电流密度选4A/mm2，2

16、A只需要0.5mm2,小于0.66mm2磁芯初始磁导率为300微亨，可选择55045-A2牌号的磁芯，参数如下：选择磁环选择磁环TN12.5/5TN12.5/5，内径为，内径为7.62mm，外径为，外径为12.12.7 7mmmm，高问，高问4.754.75mm。1()(70.92)20.750.92ddNd2(2 )(7 1.84)17.60.92ddNd绕2层，加起来可超过29匝，满足要求。（9）计算电阻2dc( /)(/ )2.06 1029 0.032419.4mRl NNl 选择平均匝长为2.06cm/4.77Qh 7.6/=7.6/ 2500.152mmf 集肤深度有效厚度有效厚度

17、0.83/0.725mmhd d dR15F ac15 19.4291mRdcRFR查DOWELL曲线/4.77Qh (10)功率损耗o(1)5 (1 0.33) 40.368A36.4UD TIL 电流纹波的峰峰值ac0.4/0.4 29 0.368/3.124.3OeHNI lpac125 85% 4.3457GsBH交流磁场强度磁感应峰值23.4OeH 直流偏置（直流偏置（Oe）1Oe0.796A/cm85%2A的直流偏磁使磁导率下降85%2.311.42.311.431.1991.199 0.475250447mW/cmpBf需要注意的是BUCK变换器中的电感里的电流是三角波，不是正弦

18、波，而厂家提供的曲线是正谐波下获得。以实验测试为基础进行一些近似估算，提供一些经验公式。r1250.457kGsB Magnetics磁芯250kHzf 3e0.356cmV 单位体积损耗表达式磁芯损耗ce447 0.356159.1mWPp V2wdcdcdc22 0.019477.6mW(20 C)PI R ac0.2890.289 0.3680.106AII 2wacacac0.1062 2913.3mWPI R 求总线圈损耗直流损耗交流损耗磁芯和线圈总损耗：240mW磁芯损耗大于线圈损耗（11）温升计算2s8.1cmA 0.8330.833o24016.8 C8.1sPTA预计温升由于

19、环境温度为20C，线圈电阻温度为36.8C,如果环境温度为40C，则线圈温度为56.8C,需要重新计算铜线的直流电阻。0.8330.833o25517.7 C8.1sPTA36.81.00391.2o0.39%/ C铜的电阻温度系数为w1.2 8096mWP 线圈电阻损耗重新计算温升电感计算后的产品貌似简单，但涉及的理论知识很多：主要有电路理论、磁芯结构尺寸、绝缘等级、温升等。其中导线的电阻、磁芯的参数会随环境温度而变化，温度及温升与电感所处的环境、工作状态密切相关互相制约着，使得计算十分复杂。即使是计算好的电感永远是个近似值。没有更好，只有最好。【例题3】设计一个正激交错变换器输出滤波电感（

20、1）设计参数电感输入电压i82VU 输出电压o=55VU=192kHzf工作频率o28AI 输出电流限流电流olim31AI5.6AI 纹波电流0.667D 占空度lim0.9D极限占空度=24HL电感量I=5.6AD=0.667T=5.2siL（2）选择磁芯材料和尺寸磁芯材料选铁氧体3F3100C的饱和磁感应密度为0.33T。m=0.31TB选最大磁通mpmax5.60.310.056T31IBBI过流时的最大磁感应密度：第一象限工作磁密选为0.028T磁芯损耗可以忽略，磁芯由AP法选择， 主要限制是饱和磁密限制。44 336sp4om124 1031 282.93cm0.31 0.03LI

21、IAPBK选择E42C磁芯。主要参数如下：磁芯的AP值42.37 2.676.3cmAP 需要的42.93cmAP 满足要求（3）计算匝数64e24 105.610.30.056 2.33 10L INBA 取10匝（4）计算气隙长度预设一个气隙长度，进行计算，再复核计算数据进行迭代，若干次后就接近目标值。1.5mm误差只有2%，可以满足要求。2432e02.330.150.1511104 101011=1.47mm241.222ANLab电感单位为微亨，长度单位为cm（5）计算导线尺寸对于电感中电流连续的磁芯，主要损耗在线圈。但由于工作频率高，线圈匝数较少，可以选用的电流密度可以相对高些。2

22、8A/mmj 2Cu/28/83.5mmAIj导线规格尺寸2dcav4.44 8.0 10 103.552mRRl N直流电阻37.67.60.017cm0.17mm192 10f 集肤深度0.83/0.83 2.242.24/ 2.3610.650.17dd dQ192kHzf 导体的有效厚度与集肤深度的比值Qd d0.83/10dd dQR10F acdc35.52mRRF RI=5.6AD=0.667T=5.2siL1/125.6 0.2891.62AII 电感电流为三角波，有效值为：（6）线圈结构导线带漆皮直径为2.36mm10匝导线的宽度为2.36cmE42C磁芯骨架的窗口宽度为2.

23、96cm绕成单层，散热效果好。223dcdc283.552 102.784WPI R（7）导线损耗与温升直流电阻损耗223acac1.6235.6 100.093WPI Rdcac2.7840.0932.877WPPP交流损耗线圈总损耗磁芯热阻2othw36/(cm )36/2.5614.1 C/WRAoth2.877 14.140.5 CTPR线圈温升前述计算都按20C时的电阻率计算电阻的，考虑到环境温度，实际电阻温度要高些，电阻值也高些。设环境温度为40C，温升40.5C，线圈温度为80.5C。电阻损耗增加，温度也增加，设温度增加到91C,则711.003940.54093TC932073

24、TC73o1.003940.54093.8 CT 迭代计算o7373.620 C(dc)1.00392.784 1.00393.71WPP实际线圈损耗电流连续模式的其他拓扑的电感即电流连续模式的其他拓扑的电感即BuckBuck、BoostBoost、Buck/BoostBuck/Boost以及推挽、半桥和全桥输出滤波电感以及推挽、半桥和全桥输出滤波电感设计方法相似。连续模式反激变压器磁芯损耗虽设计方法相似。连续模式反激变压器磁芯损耗虽然可以不计，但线圈电流是断续的，必须计算线然可以不计，但线圈电流是断续的，必须计算线圈交流损耗，尤其是多层线圈。为减少邻近效应圈交流损耗，尤其是多层线圈。为减少邻

25、近效应引起的交流电阻增加，初级与次级通常要分段交引起的交流电阻增加，初级与次级通常要分段交替绕制。替绕制。电流断续模式直流滤波电感设计【例题4】设计一个断续模式反激变压器，反激设计一个断续模式反激变压器，反激变压器设计参数为变压器设计参数为i100 360VU 输入电压输入电压输出电压与电流短路电流工作频率极限占空比最大反向恢复时间6V/5Asp6AI=70kHzflim0.47DR0.47D 50 CT温升漏感s14%LL【解】（1）决定次级电压和输出功率oo0.556.55VUUooo5 6.5532.75WPIU (2)计算次级电感量2iminmaxT1o2UDLfP22oR23o6.55 0.472.1H22 70 1032.75U DLfP推导得电感L2max0.45D设效率为90%，最大占空比小于极限占空比即取（3）求匝比iminmax12Rmax100 0.450.9013.87146.55 0.4