非晶、納米晶磁心選型設計

1引言
本文介紹用于磁放大器、尖峰抑制器、濾波電感、有源PFC 電感等器件采用的非晶、納米晶磁心的選型設計。

2電壓調節器中磁放大器磁心選型設計
2.1磁心選型設計
a、已知條件：輸出電壓V0、輸出電流I0、工作頻率F、占空比Dmax。
b、決定變壓器的次級電壓（以單端正激電路為例）
Vi≥{V0（1+KC）+VF}/Dmin （1）
Vi：變壓器次級電壓，KC：富裕系數或稱調節余量（通常取0.2），VF：整流二極管壓降，Dmin：最小占空比（發生在輸入電壓最大時），V0：要求的輸出電壓。
c、決定被砍掉的電壓（被調節的電壓）Vreg
Vreg= Vi×Dmax- V0= V1 - V0 （2）
式中V1=Vi×Dmax。
d、計算磁心所需的磁通量△φ
∵V0= Vi×Dmax-V砍= Vi×Dmax- Vreg
= Vi×(ton/T)-Vi×(tτ/T)
∴Vreg= Vi×tτ/T
由電磁定律知Vi×tτ=△φ
∴Vreg×T=Vi×tτ=△φ
寫成△φ= Vreg/F （3）
最后得到被砍掉電壓折算成磁通量的式子，即電路調節中所需磁通量為△φ。
∵磁心的單匝磁通量為2φm（有時簡稱φm）今設計磁通量為△φ，則總有一個N存在使：
N×φ≥△φ （4）
e、選擇磁心的尺寸
（1）先選擇內徑
設磁心的窗口面積為Wa。其中的一部分面積是由導線的截面積充填占據。充填系數用Kf表示，也叫有用系數，Kf常取0.4。就有Wa×Kf=所繞N條導線的截面積。
已知輸出電流為I0，導線的電流密度為J，則一條導線所占面積為I0/J。設繞了N匝，則Wa×Kf=N×I0/J，寫成：
Wa= N×I0/J× Kf （5）
式(4)決定了磁心的內徑.因為一個確定的窗口面積Wa，必有一個確定的磁心內徑與之對應。公式(5)是用電流I0等已知參數計算出了窗口面積Wa。從而選定了磁心內徑。
（2）選擇外徑
由式（5）已知Wa= N×I0/(J× Kf)
當Kf=0.4，J=6A/mm2時，Wa=N×I0/2.4
將此式左邊乘以Nφm,右邊乘以△φ（∵N×φm=△φ），則有N×φm×Wa=△φ×N×I0/ (Kf× J)，兩邊約去N得：
φm×Wa＝△φ×I0/ (Kf ×J) (6)
而△φ×I0/ (Kf×J)是電路設計時計算出來的。一款磁心其φm×Wa的值使（6）式成立。則外徑也選定了。
由于φm=B×Ae Ae 是磁心的有效截面積。
Ae= (外徑－內徑)/2×h×K（K稱充填系數，通常在0.7-0.8之間），h是磁心高度。
當Wa確定后，內徑也就確定了。
于是Ae只與外徑和磁心高度有關了。
當h選定后，一個確定的Ae 就有一個確定的外徑。
這樣由△φ×I0/ (Kf×J)的計算值就確定了磁心的尺寸。

f、決定匝數N
先求最小匝數Nmin
由式（3）知N×φm≥△φ。式中的φm是由(3)式計算出來的最小磁通量�；騈≥△φmin/φm，則：
Nmin=△φmin/φm(取整數) (7)
現在求Nmax
∵式（4）中的△φ=Vreg/F或V砍/F
而Vreg=V砍=V1-V0=VS×Dmax－V0，(式中V1為最大輸出電壓)，得V0= VS×Dmax－V砍
當V砍= VS×Dmax時，V0=0，即是說磁心的調節作用最多只能把VS×Dmax這個電壓砍掉，此時的△φmax=V砍 max/F=VS×Dmax/F
φmax= VS×Dmax/F= V1/F (8)
此時Nmax=△φmax/φm (9)

g、決定導線直徑D
設繞線采用單股則導線截面積Aw=I0/J
由I0計算出的導線截面積Aw=I0/J0
由導線直徑計算出的截面積Aw=Dπ2/4
兩個截面積應相等，得到Dπ2/4=I0/J ，D=√（4I0/πJ）
設J=6 A/mm2,則d=0.46√ I0

h、計算死角
當正向電流來到時，我們希望磁心立即飽和，但這辦不到，只有當正向電流到達一定值，H=HS時磁心才飽和或者說只有當磁心的B值從Br到達Bm 時，才能飽和，從Br到Bm差（1-Br/Bm）到達Bm，磁通量差φm×（1-Br/BM）到達φm，N匝線圈就差N×φm×（1-Br/BM）到達Nφm，當變壓器次級電壓為Vi時，則Nφm×（1-Br/BM）=Vi*td
注意N×φm×（1-Br/BM）也是一個磁通量，它等于電壓和時間的乘積，變換上式得到：
td= Nφm×（1-Br/Bm）/Vi (10)
td被稱為死時間。
Vi*td/T= Vd (11)
稱Vd為死角電壓。（T為周期）
有點象二極管的管壓降一般，每個磁心都有，且和工作頻率有關。
∵Vd= Vi* td/T= Vi× td×f， f越大，td越大。
如果下式滿足，則死角影響可以忽略：
即Vi=［V0（1+KC）+VF+Vd］/Dmin
KC為富裕系數
VF為整流二極管壓降
Vd為死角電壓
i、計算復位電流
∵磁滯回線負x方向任意一點所對應的反向磁場Hr=N×Ir/Al
la：磁心有效磁路長度（米）
∴Ir=Hr×la/N （A）
式中Hr單位為A/M(安/米)
la單位為M
Ir單位為A
要求得Ir必須知道Hr，有兩種求法：
1）取Hr=HC磁心的矯頑力，則：
Ir=Hc×l/N (12)
2）Hr可由△φmin或△φmax計算出
（φmin、φmax分別由3、8式計算出）
Hr=［0.1502×（fsw）0.57×(△φ)0.7/(N×Ae)0.7］×79.6 (13)
(乘以79.6是將奧斯特化成安/米。)
再由式（12）計算復位電流。

3采用可飽和磁心作調節元件
三種典型電路中
a、被砍去電壓Vreg的計算公式
b、所需磁通量△φ的計算公式
3.1單端正激電路(半波整流電路)
已知：VS：變壓器次級對地電壓，V0：輸出電壓，Dm：最大占空比，F：工作頻率。被砍去電壓由下式計算：
Vreg=VS-V0，
所需磁通量由下式計算：
△φmin=(VS×Dm-V0)/F
△φmax=(VS×Dm)/F
3.2全波整流，單邊磁心調節
因為輸出V0是兩個半波整流輸出的共同貢獻。其中一個半波的貢獻是VS×Dm，帶有磁心的另一半波貢 獻是VS×Dm-Vreg，(VS是對地電壓)
∴V0=VS×Dm+(VS×Dm-Vreg)
我們只須研究被砍掉電壓的那個半波整流的情況，這個半波的輸出等於總輸出V0減去另一半波的輸出；
即 VS×Dm-Vreg=V0-VS×Dm，
則被砍去電壓：Vreg＝2×VS×Dm-V0
對於ATX電源 (2×VS×Dm)=5v，V0=3.3v，Vreg=1.7v。
所須磁通量： △φmin=Vreg/F=(2×VS×Dm-V0)/F
△ φmax＝(VS×Dm)/F。
(對於通常的ATX電源VS×Dm=2.5v)
3.3全波整流雙邊磁心調節
因為輸出V0是兩個半波的共同貢獻，且認定這兩個半波是完全對稱的，相等的，所以只要討論一個半波電路中的磁心就可以了。
∵V0=V0/2+V0/2
一個半波的輸出電壓表達式是：
V0/2=VS×Dmax-Vreg
所以被砍電壓 Vreg=VS×Dma-V0/2=(2×VS×Dm-V0)/2
對於ATX電源2×VS×Dm=5v，V0=3.3v。
所須磁通量△φmin=［(2×VS×Dm-V0)/2］/F
=(2×VS×Dm-V0)/2F
△φmax＝(VS×Dm)/F

4磁心選型設計軟件使用方法
4.1軟件使用說明
本軟件是在Excer基礎上編寫的，是想讓更多的使用者容易掌握，達到普及目的。
打開軟件后可以明顯看到三張“黃牌”，分別說明它們的使用范圍，畫面的左面有一個紅色表格寫著‘必需輸入’和‘參考輸入’，使用