電源適配器設計：用粉芯磁心材料設計扼流圈

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電源適配器設計：用粉芯磁心材料設計扼流圈

在設計歐規(guī)充電器過程中，可用磁導率更低的材料代替加氣隙的鐵氧體材料，這樣就不用加氣隙。本文將比較各種粉芯材料的基本特性，并研究如何用它們設計電源適配器的扼流圈。
在扼流圈的例子中，為防止較大直流偏置電流時磁心飽和必須用低磁導率材料。對于鐵氧體磁心，需要在磁路中加入氣隙以得到低磁導率，因為鐵氧體的磁導率很大。鐵氧體材料的初始磁導率在100~5000之間。根據不同的應用場合，加氣隙可有效地將扼流圈磁心的磁導率降到10~500μ之間。
可用其他磁導率更低的鐵粉芯材料代替加氣隙的鐵氧體。粉芯磁心是在很大壓力下將獨立的鐵磁體顆粒壓縮成各種形狀和體積。磁性材料和非磁材料載體結合在一起，這種電絕緣材料可降低渦流效應。因此，有效氣隙均勻地分散在材料體內。這種分散氣隙可有效地降低初始磁導率，而通常初始磁導率在10~500間的磁心材料可用來設計扼流圈。
因為磁導率是由加工過程決定，而不是可調整的分散氣隙，所以鐵粉芯材料磁導率通常是不連續(xù)的。由于鐵粉芯材料比鐵氧體材料的飽和磁通密度更高，并且磁導率更小，鐵粉芯材料儲存能量的能力比加氣隙的鐵氧體材料更大。所以對于這種材料，扼流圈可用體積較小的磁心，這樣可有效降低磁心損耗。
與上節(jié)加氣隙的鐵氧體扼流圈相比，離散氣隙還具有消除磁路的突然斷續(xù)的優(yōu)點。由于輻射磁場更均勻，相比于加氣隙的鐵氧體會在氣隙處產生局部過熱有很大的優(yōu)勢。雖然E形鐵粉芯磁心可通過加氣隙進一步降低有效磁導率，但是一般很少這么做，因為磁導率和損耗都更小的鐵粉芯材料通常是更佳的選擇。

影響鐵粉芯磁心材料選擇的因素
許多粉芯材料都可用做扼流圈磁心，但對于開關模態(tài)的扼流圈，一般選擇更普通的類型，其中包括鐵粉芯、MPP磁心及 Kool Mu磁心。這些材料有環(huán)形、E形、C形和棒狀形。，選擇的磁心材料要滿足幾個相互限制的性能參數，其中包括工作頻率、磁心損耗、飽和磁密、直流偏置電流與交流紋波電流比例、需要的電感、電流范圍、溫升和一些特殊的機械要求。
為什么這些參數會相互限制？由于這時很多材料都可以用，那么必然要在這些參數中尋求折中，若優(yōu)化一個就會損害另一個。例如，選擇低磁導率的材料可降低磁心損耗，但是增加了銅耗。所以為了得到最佳的選擇，必須評估不同材料的相關參數，并根據應用條件最重要的要求來選擇。為了提醒大家需注意哪些參數，下面回顧一下提到的一些重要參數。

粉芯材料的飽和特性
在用粉芯材料設計扼流圈之前，首先仔細研究可用作扼流圈磁心的各種材料，并比較它們的基本特性。圖給出了加氣隙的鐵氧體、鐵粉芯、MPP和 Kool Mu等材料的飽和曲線。
圖中水平軸H（奧斯特）與直流偏置電流或平均電流與匝數的乘積成正比，豎直軸B（mT）表明每種材料的平均磁通密度由決定。
設計扼流圈需要考慮的最重要參數是磁心飽和磁通密度。在鐵氧體的例子中，通過引入氣隙使磁導率降到60u。
提示：與通觀您相反，鐵氧體中的氣限并不改變飽和磁通密度B它只改變了心飽和時的磁場強度H。

由圖可知，各種磁心的飽和磁通密度由下到上依次為
①鐵氧體：0.35T；
②MPP：0.65T~0.8T；
③ Kool Mu：近1.0T；
④鐵粉芯：超過1.2T；
⑤ HigH flux（圖中未給出）：1.5T。
其中，T與G的轉換關系為：1T=10C。
很明顯，若其他條件一樣，那么應選擇飽和磁通密度更高的材料，因為這樣電感量更大，銅耗更低，但是，現在必須考慮材料損耗，再次分析圖。

粉芯材料的損耗特性
圖給出了各種典型磁心材料的損耗特性。圖中顯示磁心損耗由交流磁通密度分量△B和施加于扼流圈的交流應力決定，它是磁通密度的擺幅和頻率的函數。本例中，50kH處交流磁通的峰一峰值為200mT。可以看出各種磁心的典型損耗由下到上依次為
①鐵氧體：近30mW／cm2；
②MPP：大約是鐵氧體損耗的3倍，近100mW／cm2；
③ Kool Mu：大約是鐵氧體損耗的6倍，近200mW／cm2
④鐵粉芯：大約是鐵氧體損耗的65倍，超過2000W／cm2
由此可知，選擇磁心損耗最小的材料與選擇飽和特性最大材料完全矛盾。實際上這兩種選擇直接沖突，所以必須在這兩種選擇之間折中考慮。
那么如何著手呢？幸運的是，大多數情況下選擇還是很簡單的，所以下面仔細分析設計中常碰到的兩種極端情況。第一種情況，交流應力很小，磁心損耗也很小，這時銅耗是限制設計的主要因素；另一種情況，交流應力很大，這時磁心損耗是限制設計的主要因素。
對于交流應力在大范圍變化的情況，在同一圖表中繪制各種材料最小選擇時的損耗曲線就可更好地得到各種材料相關性能對照表。
圖以交流磁通為變量，給出了工作頻率為50kH時，粉芯材料和鐵氧體材料的損耗曲線。本圖為各種材料損耗特性提供了最直接的比較。

50kH時以交流磁通為變量，鐵粉芯、MPP、 Kool Mu和典型P型鐵粉芯材料的損耗曲線。對于同樣的磁心種類，材料的磁導率越高損耗越大。并不是所有的材料都是這樣，所以對于某種特殊的磁心，設計者應參考制造商的數據。

雖然也有一些例外，但是通常情況下，六級能效電源適配器廠家供應粉芯材料磁導率越高，損耗也越大。即使對于同類材料也有非常大的差異，這主要由工作條件決定。但是，若考察50kHz時交流磁通峰值為0G（峰一峰值14000）的情況，損耗分別如下：
可以看出，這些材料的損耗變化了20倍。加氣隙鐵氧體的磁心損耗最小，并且磁導率變化時磁心損耗變化也最小。這是因為對于鐵氧體磁導率主要由氣隙決定，而磁心損耗是由鐵氧體材料的其他因素決定。各種粉芯材料和MPP磁心的磁心損耗隨磁導率的變化，發(fā)生了很大的變化，這是因為材料的結構發(fā)生了變化。鐵粉芯材料的損耗最大，并且變化也最大，而KoM材料的損耗最小，并且變化也比較小圖中未給出）注意，由于一些特殊材料（本文未給出）可能并不具備這些規(guī)律，所以這時應參考心制造商提供的數據。

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| 發(fā)布時間：2019.04.11 來源：電源適配器廠家

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