开关电源中磁性元件的设计

1、第22卷第10期2008年10月常熟理工学院学报（自然科学）JournalofChangshuInstituteTechnology（NaturalSciences）Vol.22No.10Oct.,2008开关电源中磁性元件的设计姜菲菲，鲁明丽，杨浩东（常熟理工学院自动化系，江苏常熟215500）摘要：在了解磁性材料性能和高频条件下磁性元件选用问题的基础上，以变压器的设计为例，研究了开关电源中磁性元件的工作特点和设计方法，为磁性元件的设计提供了参考.关键词：开关电源；磁性元件；反激变压器中图分类号：TM27文献标识码：A文章编号:1008-2794（2008）10-0075-04开关电源是为微

2、电子产品中各种电路及元器件供电的电路1.现在，开关电源的体积小、重量轻、损耗小、效率高，在雷达、电子计算机、通信设备、电子仪器、家用电器中得到广泛的应用.随着集成电路技术由大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）向超高速集成电路（VHSIC）发展，各种电子设备的体积显著减小.开关电源的小型化成了电子设备的主要问题，而决定开关电源体积大小的主要部分是电抗器、变压器等磁性元件.因此，磁性元件的设计是开关电源设计的关键.1开关电源中磁性元件的设计开关电源结构中一般均包含变压器、电感等磁性元件，由于变压器和电感在硅集成电路中难以实现，只能将这些磁性元件置于集成电路之外，这就使得变换器体积

3、大，不利于小型化；提高频率虽可减小磁性元件的尺寸，但高频时损耗加大并影响输出的稳定性，使变换器整体抗干扰能力差.磁性元件在电路中起着传递能量或者储存能量的作用，合理地设计磁性元件对电源的性能有着举足轻重的影响.因此，开展对磁性元件的研究对开关电源的设计具有重要的意义.本文以船用开关电源为例，介绍电源高频变压器的设计方法.某船用电源要求输入电压V=60V120V；输出电压Uo=15V、5V；输出电流Io=0.5A；最大损耗（绝对）2.5W；电路拓扑采用反激模式；开关频率f=100kHz；效率=80；变压器传输功率P:20/80%=25W.要求重量轻、稳定性好、可靠性高.根据设计要求，因单端反激式

4、开关电源具有线路简单，所需要的元器件少，能够提供多路隔离输出等优点，故采用基于TOPSwitch单端反激式拓扑结构，其原理图如图1所示.2开关电源中变压器的设计收稿日期：2008-07-16基金项目：2007高等学校大学生实践创新训练计划项目（534）.作者简介：姜菲菲（1986），女，江苏连云港人，常熟理工学院自动化专业2004级学生.76常熟理工学院学报（自然科学）2008年开关电源中磁性元件的设计，通常是根据铁芯的工作状态，合理选用铁芯材料.正确设计磁性元件的铁芯及绕组参数.所以设计磁性元件必须要选择的参数包括铁芯材料、铁芯形状尺寸和线圈的匝数和线径等.设计变压器时，应当预先知道具体的应

5、用电路拓扑、工作频率、输入和输出电压、输出功率以及环境条件，同RLT时还应当知道所设计的变压器允许多图1基于TOPSWITCH的单端反激电路原理图大损耗.总是以满足最坏情况设计变压器，以保证设计的变压器在规定的任何情况下都能满意工作.2.1选取铁心材料软磁铁氧体有较高的磁导率易被磁化，即在一定线圈匝数时通过不大的激磁电流就能承受较高的外加电压，因此输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积.铁氧体材料是复合氧化物烧结体，电阻率很高可使涡流小，铁耗小，适合高频下使用，且成本低，常用在开关电源中，所以铁心材料选择铁氧体.2.2选取铁心形状铁心形状有很多种.E形铁心用途广、绕线空间大、接线方便、用于高频开关

6、电源时可显著降低开关电源的体积和高度2，所以选取E形铁心.2.3变压器主要参数计算第10期姜菲菲，鲁明丽，杨浩东：开关电源中磁性元件的设计7778常熟理工学院学报（自然科学）2008年2.4变压器的绕制3为使初、次级绕组耦合好，漏感小，应采用"初包次"的绕法.为了减小漏感引起的能量损失，应将输出电流较大的绕组靠近里层初级绕组.因为两组触发脉冲电源平均功率较小，为使其电压一致性(亦即轻载稳压性能)较好，应将两组绕组并绕.若不够绕满一层，可采用多根并绕的方式使其绕满一层，这样虽然成本有所提高，但可有效地提高两组脉冲电源的电压一致性.根据上面的设计结果，选择变压器铁心材料和铁心形

7、状及线径，并按照计算结果绕制变压器一次、二次侧绕组，做出了有两路输出的单端反激开关电源，并且开关电源的性能稳定，由此验证了变压器的设计是合理的，符合电路的要求.3结论由以上设计可看出，在开关电源中的变压器主要起隔离、变换电压和电流的作用，设计变压器时主要需满足变压器所处理的功率和线圈铜损(由效率要求来决定)的技术指标.现代变压器设计的关键就是寻求磁芯的最小尺寸以满足上述要求而不致使磁芯的磁化特性进入饱和，并决定初、次级线圈匝数以及导线截面积.参考文献：1韩广兴.开关电源电路识图M.北京电子工业出版社,2007.2董峰斌，皇金峰.电力电子技术中磁性元件的设计J.现代电子技术,2006,(11)：

8、123-125.3陈丹江，张仲超.电流驱动同步整流反激变换器的研究J.电源技术应用,2003,6(6):277-279.MagneticComponentsDesignofSwitchingPowerSupplyJIANGFei-fei，LUMing-li，YANGHao-dongAbstract：Magneticcomponentsareoneofthemostimportantpartsofthepowersystem.Inordertofullyexploitthefunctionofthemagneticcomponents,knowledgeaboutthedesignofmagne

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