鐵氧體磁芯選擇與設(shè)計(jì)決策

在本文中，我將向您介紹DC-DC轉(zhuǎn)換器或電源濾波電感器等應(yīng)用中使用的標(biāo)準(zhǔn)鐵氧體磁芯選擇指南和設(shè)計(jì)過程。該流程涉及一系列步驟，需要使用多份數(shù)據(jù)表，并且如果鐵氧體磁芯電感器設(shè)計(jì)需要間隙，則需要執(zhí)行一定程度的迭代。

在本文中，我將向您介紹DC-DC轉(zhuǎn)換器或電源濾波電感器等應(yīng)用中使用的標(biāo)準(zhǔn)鐵氧體磁芯選擇指南和設(shè)計(jì)過程。該流程涉及一系列步驟，需要使用多份數(shù)據(jù)表，并且如果鐵氧體磁芯電感器設(shè)計(jì)需要間隙，則需要執(zhí)行一定程度的迭代。各階段如下：

在繼續(xù)之前，我們需要考慮決定使用鐵氧體磁芯而不是任何其他材料所造成的影響。請(qǐng)確保這是最適合您應(yīng)用需求的材料。

紅框中突出顯示的是磁芯的有效長度；這是計(jì)算峰值磁通密度的重要值。它是組合兩瓣磁芯時(shí)磁通量的平均傳輸距離。如下圖中的藍(lán)線所示：

右邊展示的是磁芯組和PCB的構(gòu)建方式；PCB銅軌將形成線圈環(huán)，我們可能需要堆疊數(shù)個(gè)小型PCB才能得到正確的匝數(shù)。這種設(shè)計(jì)的另一個(gè)目的是可能降低整體外形高度。因此，我們選擇了平面磁芯組。

研究并選擇鐵氧體材料（第2階段和第3階段）

實(shí)線表示材料的磁導(dǎo)率（鐵氧體“優(yōu)質(zhì)”系數(shù)）。在100kHz下，它們的值都在2000左右。這告訴我們，與空氣相比，它們?cè)冢╝）集中磁通量和（b）約束磁通量方面有多好。兩者都比空氣好2000倍，這一點(diǎn)很重要。但是兩者在100kHz下沒有太大區(qū)別，而且它們?cè)诟哌_(dá)1MHz的頻率下都具有合理的性能。

虛線表示磁芯材料損耗，在1MHz下，3F3材料略優(yōu)于3C90。

下一項(xiàng)比較表明磁導(dǎo)率隨磁芯溫度的變化程度：

在0°C至100°C的典型工作范圍內(nèi)，3F3材料將是首選。未顯示的另一項(xiàng)比較是磁芯飽和水平。不過，我沒有將其包括在內(nèi)，因?yàn)閮煞N材料的飽和水平非常接近，并且不會(huì)影響選擇3F3材料的決定。

概述

我們選擇了名為E38/8/25（Ferroxcube制造）的磁芯類型，并調(diào)查其制造材料。材料3C90和3F3都很常見，在研究其材料規(guī)格時(shí)，我們決定使用3F3，因?yàn)樗男阅芨谩?/p>

為了得到這些結(jié)論，我們需要研究三份不同的數(shù)據(jù)表；磁芯組E38/8/25的數(shù)據(jù)表顯示其制造材料，還告訴了我們一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，即有效長度。然后，我們研究了這兩種材料的數(shù)據(jù)表，進(jìn)行了并排技術(shù)比較。

計(jì)算匝數(shù)（第4階段）

相關(guān)數(shù)值是左下角的7250。該數(shù)字的含義是，一匝銅繞組的電感將為7250nH（7.25）。這是使用兩個(gè)相同的平面磁芯組合在一起時(shí)的值。您還應(yīng)該注意磁芯磁導(dǎo)率（）的關(guān)聯(lián)值為1570。最初在材料規(guī)格中，該值為2000；不過，模制成磁芯后，該值會(huì)稍微減少。中的“e”代表“有效”，即被稱為有效磁導(dǎo)率。

計(jì)算所需電流（第5階段）

我們有一個(gè)磁芯組（以及磁芯材料），現(xiàn)已計(jì)算出所需的匝數(shù)，但需要通上什么電流？會(huì)引起問題嗎？電流太大會(huì)導(dǎo)致磁芯飽和，因此應(yīng)避免這種情況，但我們需要深入了解應(yīng)用才能計(jì)算電流。在本示例中，我們假設(shè)應(yīng)用是一個(gè)使用鐵氧體磁芯選擇指南和繞組作為DCM反激式變壓器鐵氧體磁芯的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

因?yàn)樗欠醇な诫娐?，所以我們無需分析任何次級(jí)電路方面以計(jì)算初級(jí)電流；我們只需要知道提供給負(fù)載的最大功率和工作頻率。因此，假設(shè)工作頻率為100千赫，負(fù)載所需的功率為40瓦。

將負(fù)載功率除以頻率，就會(huì)得到初級(jí)電路在每個(gè)開關(guān)周期必須存儲(chǔ)并傳輸?shù)酱渭?jí)電路的能量（單位為焦耳）。必須假設(shè)會(huì)有一些損失，因此我們會(huì)將能量提高10%，以解決這些損失。如果我們使用“眾所周知”的電感器能量公式，則可使用以下方程計(jì)算出一次電路所需的峰值電流：

當(dāng)然，如果您想為繞組元件使用不同的應(yīng)用電路，那么電流計(jì)算可能比上面顯示的更簡單。無論哪種情況，您仍然需要計(jì)算峰值電流以查看是否存在潛在的磁芯飽和問題。

計(jì)算出目標(biāo)應(yīng)用的電流為0.918安培，我們知道該電流是反激式轉(zhuǎn)換器的變壓器鐵氧體磁芯磁化電流。因此，它很容易使磁芯過度飽和。

計(jì)算磁通密度（第6階段）

為了計(jì)算磁通密度，我們需要使用峰值電流、匝數(shù)以及第1階段的有效長度值（）（兩個(gè)E38/8/25磁芯瓣為52.4毫米）。您還記得這個(gè)數(shù)值嗎？

峰值電流、匝數(shù)和都會(huì)影響一個(gè)稱為磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）的值：

因此，將H乘以磁導(dǎo)率，即可得到磁通密度B。已知，與空氣相比，磁導(dǎo)率（）為1570；我們還知道（從各種來源），空氣的絕對(duì)磁導(dǎo)率為每米1.257。因此，我們可以如下計(jì)算B：

B = 210.2 ×1570 ×1.257 ×10-6 = 0.4148特斯拉

這是預(yù)測(cè)的峰值磁通密度，從文獻(xiàn)中得知，對(duì)鐵氧體磁芯來說，該值太高。鐵氧體在0.4特斯拉左右會(huì)嚴(yán)重飽和，因此我們必須稍微重新考慮方案。

確定是否需要間隙（第7階段）

答案很簡單：是的，我們需要降低預(yù)測(cè)的峰值磁通密度。好消息是，我們可以購買已預(yù)先實(shí)施間隙的E38/8/25磁芯組。還記得第4階段的數(shù)據(jù)表摘錄嗎？

我們可以選擇一個(gè)有間隙的磁芯和一個(gè)無間隙的磁芯，而不是選擇兩個(gè)無間隙的磁芯。這將產(chǎn)生以下磁芯結(jié)構(gòu)：

如果我們選擇一個(gè)間隙為0.25mm（250）的磁芯，則AL值會(huì)降低到1000，這意味著我們需要更多匝數(shù)才能產(chǎn)生1mH電感。

• 從第四階段開始，我們現(xiàn)在應(yīng)該使用32匝以得到1.024mH。
• 從第五階段開始，峰值電流應(yīng)為0.927安培（之前為0.918安培）。
• 從第六階段開始，H現(xiàn)為每米566.1安培匝數(shù)（之前為210.2At/m）

B = 566.1 ×216 ×1.257 ×10-6 = 0.153特斯拉

然后，我們可以使用帶間隙的磁導(dǎo)率值216，重新計(jì)算峰值磁通密度。

這顯示了僅添加一個(gè)間隙的影響。我們傾向于為反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)定一個(gè)低于0.2特斯拉的值，因此這個(gè)值比較合適。以下是仿真提供的結(jié)論（作為一種完整性檢查）：

這些數(shù)字相當(dāng)吻合。間隙磁芯組（H場(chǎng)為566.1）的仿真磁通密度為129mT，而手動(dòng)計(jì)算得出的值為153mT。針對(duì)無間隙12匝磁芯組（H場(chǎng)為210.2），我們得到的仿真磁通密度為413mT（非常接近手動(dòng)計(jì)算的414.8mT）。

概括

首先，在設(shè)計(jì)變壓器鐵氧體磁芯或使用鐵氧體磁芯電感器時(shí)，使用正確的設(shè)計(jì)過程至關(guān)重要。其次，現(xiàn)實(shí)世界的最終測(cè)試是無法替代的。任何手工制作（或自制）的繞組元件都需要此過程。不過，本文只能真實(shí)地展示過程，希望您可以按照本文所述執(zhí)行操作以得到出色結(jié)果。如果您可以在此過程中更深入了解鐵氧體磁芯電感器設(shè)計(jì)和間隙設(shè)計(jì)，那將是一個(gè)額外的收獲。

（文章來源：Altium，博客作者：Mark Harris）