开关电源的安全及EMC设计(完整版)实用资料.doc

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1、开关电源的安全及EMC设计（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载） 开关电源的安全及EMC 设计陶显芳 内容概要 1. 电子产品的安全认证1-2.几个常用安全认证2. 开关电源安全设计2-1.开关电源的漏电防护2-2.开关电源的过热防护2-3.影响开关电源安全的几个关键器件 3. EMC 电路设计 1.电子产品的安全认证电子产品在出厂之前一般都需要经过安全认证和质量认证,只有符合标准的电子产品才能投放市场,但安全认证与质量认证在本质上有所不全同。安全认证大部份属于强制性认证,需要第三方做认证,而质量认证可以不需要第三方来做认证。不安全的电子产品会造成人身伤害和财产损

2、失,早在100年前,国外一些经销商为了减小索赔风险,在产品销售之前,先请一些技术行家来对其销售产品进行风险评估,所以从那时起,在国外就流行了要对电子产品进行安全认证的过程。现在这种安全认证活动已经被世界上很多国家的消费者接受,并且这种安全认证工作还逐步上升到政府的管理工作层面,这样就很容易造成安全认证被政治化。安全认证的目的,就是为了防止家电产品在使用过程中可能产生的各种危险所造成的人身伤害和财产损失,包括电击或触电,温度过高或火灾,机械方面存在的危险,放射性危险,化学性危险等。近年来,由于安全认证活动的不断扩大化和政治化,各国政府或贸易组织为了保护本国的利益,现在不断地对安全认证标准内容进行

3、扩充,其中有些国家把EMC 和环保、卫生标准也放到了安全认证标准里面。1-1.几个常见安全认证认证的官方含义是:由可以充分信任的第三方来证实某一经过鉴定产品或服务符合特定标准或规范性文件的活动。如果进一步仔细理解就是,发证的为第三方,而进行产品鉴定的并不一定属于第三方,也可以是第四方,但第四方必需取得第三方授权。常见的安全认证有下面几个:FCC认证,FCC(Federal Communications Commission,美国联邦通信委员会通过控制无线电广播、电视、电信、卫星和电缆来协调国内和国际的通信。CSA认证,CSA(Canadian Standards Association提供对机

4、械、建材、电器、电脑设备、办公设备、环保、医疗防火安全、运动及娱乐等方面的所有类型的产品提供安全认证。CE认证,CE(CONFORMITE EUROPEENNE认证是目前世界上内容最全面和规范最多的安全认证,它是由总部位于欧盟成员国的认证机构来制定法规。CE认证规定,在其区域内销售的商品,必须符合欧盟一系列关于安全、卫生、环保、消费者保护等指令。CCC认证,CCC(China Compulsory Certification认证是我国国家监督检验检疫总局和国家认证认可监督管理委员会于2001年12月3日一起对外发布了强制性产品认证管理规定,对列入目录的19类132种产品实行“统一目录、统一标准

5、与评定程序、统一标志和统一收费”的强制性认证管理。将原来的“中国商检CCIB ”认证和“长城CCEE认证”统一为“中国强制认证”(英文名称为China Compulsory Certification ,其英文缩写为“CCC”,故又简称“3C”认证。以上认证大多数属于官方认证(强制认证,除此之外还有几个属于民间的安全认证(民间认证多为自愿性质的安全认证,举例如下:UL认证,UL(Underwriter Laboratories Inc.安全试验所是美国最有权威的,也是世界上从事安全试验和鉴定的较大的民间机构。它是一个独立的、非营利的、为公共安全做试验的专业机构。采用科学的测试方法来研究确定各种

6、材料、装置、产品、设备、建筑等对生命、财产有无危害和危害的程度;确定、编写、发行相应的标准和有助于减少及防止造成生命财产受到损失的资料,同时开展实情调研业务。GS认证,GS(Geprfte Sicheheit安全测试认证是以德国产品安全法为依据,按照欧盟统一标准EN或德国工业标准DIN进行检测的一种自愿性认证,1-2.几个常用安全认证机构最早的安全认证诞生于欧洲,19世纪初,欧洲产生了工业革命,但一些黑心资本家经常生产一些不良产品,特别是一些不安全产品,使消费者的人身和财产遭受损失,于是就有一些权益维护者自发组织起来,请求一些技术专家对不良产品进行安全鉴定,并把鉴定结果向外公布,让消费者抵制这

7、些不良产品在市场上销售,久而久之,这些维权组织的行为就成为了一种标准的商业行为,即:消费者对不经安全鉴定过的产品不买。德国的TV(德国技术监督协会Technischeber wachngs vereine以及VDE(德国电气工程师协会VDE Testing and CertificationInstitute 所属的技术研究所就是这样诞生的。TV诞生于1866年1月6日,VDE成立于1920年。经TV和VDE进行GS(安全测试Geprfte Sicheheit鉴定过的产品几乎可以在全欧洲通行。UL(underwriter laboratories是美国保险商试验室的英文缩写,UL是美国最权威、

8、最大的从事产品安全试验和鉴定的机构,始创于1894年,它是一个独立的、非营利性的为公共做产品安全试验证明的一家民营机构。中国对安全认证认识比较晚,大约于1986年才开始与欧洲安全认证机构进 行技术交流,并从欧洲引进一些与安全相关技术标准。中国的大部分安全认证机构都是官方的,一般每个城市的技术监督中心的下面都有一个可从事安全认证的机构或部门。赛宝认证中心是中国最大的安全认证中心,赛宝认证中心的前身是电子部第五电子研究所。从某种意义上来说,安全认证只是给安全产品出具一张证明,提示消费者购买产品时最好选购经过安全认证的产品。而国外最早的安全认证组织基本上都是从打假组织演变过来的,在法律上并没有要求所

9、有产品都需要进行安全认证,或要求消费者必须购买经过安全认证的产品。如德国的TV和VDE 认证,或要求消费者必须购买经过安全认证的产品。如德国的以及美国的UL,一开始都是以打假为己任,他们都是民间组织,打假出名之后,才引起越来越多的人重视,唯有中国的安全认证机构基本上都是属于官方机构,这种认证结构在性质上与国外认证机构会有很大区别。对于中国的企业,最好要事先与国外从事安全认证的机构,或与已经取得国外安全认证机构授权的国内安全技术检测中心取得联系,只有让出口产品通过落地安全认证之后才可销售,否则就会引起贸易纠纷。 1-3.世界各国的安全认证标志 2.开关电源的安全设计开关电源的安全设计首先是针对安

10、全认定内容,但同时也要考虑可靠性设计。一般包括下列内容:1、防漏电;2、防过热起火;3、防爆;4、防浪涌;5、EMC(这部份留待后面单独讨论;6、平均无故障工作时间MBTF(mean time betweenfailures 。进行开关电源设计时,最好先参考GB8898电网电源供电的家用和类似一般用途的电子及有关设备的安全要求的内容。2-1.开关电源的漏电防护2-2.开关电源过热防护1、输出端短路时,任何器件不能引起发热起火,或起火时间不能超过3秒钟。2、相邻线路的爬电距离小于0.2mm,就可以认为是短路,做短路试验时,任何器件发热起火,或起火时间不能超过3秒钟。3、相邻线路的爬电距离小于Xm

11、m/300V,小于此值时要做短路试验,做短路试验时,任何器件发热起火。4、所有电解电容都要做短路试验,因为电解电容很容易失效使线路短路,做短路试验时,任何器件发热起火,或起火时间不能超过3秒钟。防止短路起火的最好措施是在线路中串接保险丝或接保险丝电阻。当电源插头拔出时,C1、C2存储的电荷可通过R1放电,避免插头带电。冷热地距离大于6mm输入端口距离大于3mm 采用光耦进行隔离电流密度不超过8A/mm 2,即不超过0.5A/mm 宽度焊点与插件引脚的接触面积应大于引脚的截面积爬电距离大于0.2mm两种不同性质的金属接触会产生电腐蚀,不要选用接点电位差大的导体。流过焊点的电流密度不要大于2.5A

12、/mm 2 开关电源的工作环境温度一般都超过45 ,如果机器的平均温升和半导体器件的温升均为20,则功率器件的工作温都就会达到升85,甚至更高,此时允许半导体器件输出功率或电流就会下降到只有最大值的三分之一,一旦输出过载,很容易损坏半导体器件。因此,半导体器件的温升不要超过20。2-3.影响开关电源安全的几个关键器件2-3-2.电解电容电解电容是开关电源中最不安全和对开关电源平均无故障工作时间MBTF影响最大的器件。电解电容使用一段时间之后,电容量会减小,纹波电压会增大,所以很容易发热失效。大功率电解电容发热失效时,经常会引起爆炸,因此,直径大于10mm 的电解电容,要具有防爆功能。具有防爆功

13、能的电解电容是在电容器外壳的顶部开十字槽,并在引脚的底部还要留排气孔。电容器的使用寿命主要由电容器内部的温度来决定,而电容器的温升主要与纹波电流与纹波电压大小有关,因此,一般电解电容器给出的最大纹波电流和纹波电压参数,都是在特定工作温度(85或105和特定使用寿命(2000小时条件下的纹波电流值,即:在此最大纹波电流和纹波电压的条件下,电解电容器的寿命只有2000个小时。当要求电容器的使用寿命大于2000小时以上时,需按下式来设计电容器的使用寿命。 2-3-4.电容器的安全特性在开关电源中,电容器的安全使用是一个非常重要的事情,各种电容器的安全特性都是不一样的。选用电容器的时候必须考虑:1、电

14、容器的额定工作电压;2、电容器最大的纹波电压;3、电容器的最大纹波电流;4、电容器的最高工作频率;5、电容器的温度特性。电容器的额定工作电压分直流额定工作电压和交流额定工作电压。由于电容器的交流额定工作电压与工作频率有关,所以,一般电容器都只标直流额定工作电压,只有工作频率固定(一般为50Hz时,电容器才标出交流额定工作电压,如X电容。电容器的交流额定工作电压一般都不能超过直流额定工作电压的二分之一,并且工作频率每增加一倍,交流额定工作电压最少也要下降一倍,并且电容器的容量越大,最高工作频率就越低。电容器与电阻器一样也是有功率大小之分的,电容器功率大小主要与电容器的额定纹波电压和纹波电流有关,

15、还与工作频率有关。因此,电容器的额定功率要比电阻器的额定功率复杂很多。选用电容器的时候一定要考虑电容器额定工作功率,不要超出电容器的额定纹波电流和纹波电压,以及最高工作频率,否则电容器将会发热爆炸。决定电容器最高工作频率的是电容器的介质损耗,即正切角的大小。一般介电常数越大损耗也越大,聚丙烯电容器的介质损耗比较小,在纹波电压和电流较大的地方,应优先使用。电容器的温度系数有正负之分,一般低频陶瓷电容和电解电容的温度特性都很差(温度系数很大,薄膜电容的温度系数较小,聚丙烯电容器在薄膜电容器中温度系数最小。2-3-3.X电容和Y电容X类安全电容有X1、X2、X3三类之分,三类电容的额定工作电压基本都

16、一样,均为AC250V,或AC275V,但它们可承受的脉冲电压幅值不一样。这三类电容对应的安全冲击脉冲电压分别是:4.0kV、2.5 kV、1.2 kV 。如果不考虑防雷电,一般家用电器大部份都选用X2类安全电容器;如果考虑防雷电,必须选用X1类电容。Y类抗干扰高压瓷介电容器分Y1类和Y2类,两类电容的额定工作电压基本都一样,均为AC250V,或AC400V,但它们可承受的脉冲电压幅值不一样。Y1类电容可承受的脉冲电压幅值为8000Vpp,而Y2类电容可承受的脉冲电压幅值为5000Vpp。如果不考虑防雷电,一般家用电器大部份都选用Y2类安全电容器;如果考虑防雷电,必须选用Y1类电容。为了防引起

17、电子设备漏电或机壳带电,容易危及人身安全及生命,Y电容的值不能偏大,一般,工作在亚热带的机器,要求对地漏电电流不能超过0.7mA;工作在温带的机器,要求对地漏电电流不能超过0.35mA。因此,Y 电容的总容量一般都不能超过4700PF。3.EMC电路设计 3-1、最简单的EMC滤波电路 1 Y 电网输入 X2 Y 2 电气设备 在EMC滤波电路中，X电容的作用主要是对差模传导干扰信号进行 双向滤波，而Y电容的作用主要是对共模传导干扰信号进行双向滤 波。 26 3-2.用X电容抑制浪涌电压与雷电 X电容与限流电感组合具有很强的抑制浪涌电压和防雷的作用。 X电容抑 制浪涌电压的原理是通过与输入电感

18、分压来实现的，其最高分压为2500V （二类电容），适当选择X电容与限流电感的大小，可以抑制浪涌电压高达 10000V以上。 浪涌电压或雷电感 应脉冲的宽度一般只 有数微秒到数十微 秒，只要X电容的容 量足够大，就可以把 输入浪涌电压和雷电 感应脉冲印制在一个 可以接受的范围之 内。 X2电容可以承受2500V的浪涌电压 27 3-3.常用EMC滤波电路 当电源插头拔出时，C1、C2 存储的电荷可通过R1放电， 避免插头带电。 上图 EMC 滤波电路对抑制本机开关电 源产生的EMI电磁传导干扰作用很强， 但 C1 很容易被雷电感应电压或浪涌电 压（高于 2500V ）击穿，最好在 C1 的 前

19、面再加两个差分电感。 当电源输出电压高于4000V时，变 压器次级电路的分布电容存储的电 荷可能会大于4.5微库仑。解决办法 是在冷热地之间跨接一个电阻 （8.2M和电容(2200P。 28 谢谢各位 陶显芳：taoxianfanggmail 开关电源发展到今天，从以前的线性电源、相控电源发展到现在的开关电源，它伴随着频率的提高，效率的增加，功率密度的提高，特别是开关电源逐渐要求小型化的今天，对开关电源的热分析的要求越来越高。 有统计资料表明，电子元器件温度每升高2，可靠性下降10%元器件温升为50C时的寿命只有温升为25C时的1/6。而高频开关电源这一类拥有大功率发热器件的设备，温度更是影响

20、其可靠性的重要因素，因此热设计愈加成为开关电源产品设计的关键一环，热设计的效果百接关系到开关电源能否长期正常、稳定工作的重要因素。热设计是开关电源设备结构设计中不可忽略的一个环节，直接决定产品的成功与否，良好的热设计是保证设备运行稳定可靠的基础。 热设计一般都随着开关电源的初步设计开始，而一个好的热设计2，首先就得对它的主要发热元件的功耗有一个比较准确的预估，这样就对开关电源内部元件的布局和冷却方式的选择有很好的指导意义。 1 开关电源的结构 图1是开关电源常用的主电路拓扑。在开关电源中主要发热器件是开关管、整流二极管、变压器及电感等。 2 开关管的功耗 开关管的工作过程1分为四个阶段，即开通

21、阶段、关断阶段、导通阶段、截止阶段。图2是开关管工作过程时的电压电流波形。设各个阶段的时间依次为t r，t f，t on，t off，在图中采取了分段折线处理，实际的电压电流波形比这复杂。计算开关管的功耗可以将这四个阶段功耗加起来即为开关管在一个周期的功耗总和。在开关管截止期间，集电极电压u CE=U CU i，(U i为一次整流滤波后的直流电压)，集电极电流i C=I CO(I CO为集电极漏电流)。开关管导通后，集电极电流从I C1增大到I C2，集电极电压u CB=U CBS（U CBS为饱和压降）。 在开关管由截止转为导通的电压上升期间，或是由导通转为截止的电压下降期间，开关管的电流并

22、不是立即下降至I CO或上升至I C2，而是以某一斜率逐渐下降或上升，这样就会产生开关管的开通损耗与关断损耗，由图2的近似波形可知在开关管电压上升过程中电压和电流分别为： i Cr= I c0+(I C1-I C0) t / t r UCEr=U C-(U C-U CES) t / t r 下降期间其电压和电流分别为： i CF=I C2-(I C2-I C0) t / t f u CEF=U CES+(U C-UCES) t / t f 开关管在开通阶段的损耗为 开关管在关断阶段的损耗为 实际上，目前大功率开关管生产工艺已较成熟，即使在晶体管表面温度达到100时见参献文献 3 ，UCES约为

23、13V，IC0约0.51mA，而U CU i，一般U i为220V交流电直接整流滤波后的直流电压，其值为300V左右，而I C约为数百毫安至数安培，考虑到 U CU CES,I C1I CO,I C2I C0 从而有 W rI C1UC t r，W fI C2U Ct f 开关管在导通阶段的损耗为 开关管在截止阶段的损耗为 Woff=IC0UCtoff 一周期内开关管的平均损耗为 当脉冲变压器电感量L最够大时，开关管导通期间集电极电流变化不大，IC1IC2=IC，可得 P C=1/T I C0U Ct off+I CU CESton+I C U C(t r+t f) 3 整流二极管的功耗 整流

24、二极管的功率损耗主要分为正向导通功率损耗和反向截止时的功率损耗，图3为二极管工作时的电压和电流波形图。 正向导通损耗功率为 WP=IDUDtD 其中正向导通电流ID较大，但正向导通压降UD约为0.60.7V，tD为正向导通时间。 当二次整流二极管上的电压由正变负时，由于二极管内少数载流子的存储效应，二极管中的电流不会立即变为零，而是存在一个反向截止时间tR(见图3)，可近似得到此时二极管的功率损耗为 4 变压器及电感的功耗 众所周知，变压器与电感结构基本相同，这里主要讨论电感损耗。电感损耗包括两方面：其一是与磁芯相关的损耗，即铁损；其二是与电感绕组相关的损耗，即铜损。等效模型如图4所示。 磁芯

25、损耗包括磁滞损耗和涡流损耗，其值可通过计算B，然后根据电感数据手册，确定出磁芯损耗。获得B的方法有两种途径：一是根据电感数据手册的计算公式，B=KLi(t)IDC，其中K为常量。二是B为绕组上电压与时间的乘积与电感匝数和有效截面积之比，即 B(t)= ULton/A开关电源中的高频交流电，会产生电流的趋肤效应，绕组的实际电阻会随频率的提高而增大，大于RDC，即有一个交流电阻。因此，在计算铜损时就包括两个方面的损耗，直流电阻产生的损耗和交流电阻产生的损耗。直流电阻RDC，电感的数据手册已给出，交流电阻可通过求基波渗透深度和绕组线径求得。设绕组的线径为扎基波渗透深度为r，则 RAC/RDC=d2/

26、 d2-(d-r)2 电感的铜损为 Pcu=PRDC+PRC=I2DCRDC+I2ACRMSRAC IDC已知，I为电感的纹波电流，IACRMS为交流电流的均方根值，PRAC为交流电阻的消耗功率，PRDC为直流电阻上消耗功率，Uin为变压器输入端的电压。 5 结论 本文通过对开关电源主要元器件的功耗进行了分析并提出了相应的计算方法，这对在开关电源的热设计中具有非常重要的指导意义，它可以对元件的布局和冷却方式的选择等工作提供很好的依据，有助于节约开发时间和提高设计的成功率。 开关电源功率变压器的设计方法1开关电源功率变压器的特性 功率变压器是开关电源中非常重要的部件，它和普通电源变压器一样也是通

27、过磁耦合来传输能量的。不过在这种功率变压器中实现磁耦合的磁路不是普通变压器中的硅钢片，而是在高频情况下工作的磁导率较高的铁氧体磁心或铍莫合金等磁性材料，其目的是为了获得较大的励磁电感、减小磁路中的功率损耗，使之能以最小的损耗和相位失真传输具有宽频带的脉冲能量。 图1（a）为加在脉冲变压器输入端的矩形脉冲波，图1（b）为输出端得到的输出波形，可以看出脉冲变压器带来的波形失真主要有以下几个方面：图1脉冲变压器输入、输出波形（a）输入波形（b）输出波形（1）上升沿和下降沿变得倾斜，即存在上升时间和下降时间；（2）上升过程的末了时刻，有上冲，甚至出现振荡现象；（3）下降过程的末了时刻，有下冲，也可能出

28、现振荡波形；（4）平顶部分是逐渐降落的。这些失真反映了实际脉冲变压器和理想变压器的差别，考虑到各种因素对波形的影响，可以得到如图2所示的脉冲变压器等效电路。图中：Rsi信号源Ui的内阻Rp一次绕组的电阻Rm磁心损耗（对铁氧体磁心，可以忽略）T理想变压器Rso二次绕组的电阻RL负载电阻C1、C2一次和二次绕组的等效分布电容Lin、Lis一次和二次绕组的漏感Lm1一次绕组电感，也叫励磁电感n理想变压器的匝数比，n=N1/N2图2脉冲变压器的等效电路 将图2所示电路的二次回路折合到一次，做近似处理，合并某些参数，可得图3所示电路，漏感Li包括Lin和Lis，总分布电容C包括C1和C2；总电阻RS包括

29、Rsi、RP和Rso；Lm1是励磁电感，和前述的Lm1相同；RL是RL等效到一次侧的阻值，RL=RL/n2,折合后的输出电压Uo=Uo/n。 经过这样处理后，等效电路中只有5个元件，但在脉冲作用的各段时间内，每个元件并不都是同时起主要作用，我们知道任何一个脉冲波形可以分解成基波与许多谐波的叠加。脉冲的上升沿和下降沿包含着各种高频分量，而脉冲的平顶部分包含着各种低频分量。因此在上升、下降和平顶过程中，各元件（L、C等）表现出来的阻抗也不一样，因此我们把这一过程分成几个阶段来分析，分别找出各阶段起主要作用的元件，而忽略次要的因素。例如，当输入信号为矩形脉冲时，可以分3个阶段来分析，即上升阶段、平顶

30、阶段和下降阶段。（1）上升阶段对于通常的正脉冲而言，上升阶段即脉冲前沿，信号中包含丰富的高频成分，当高频分量通过脉冲变压器时，在图3所示的等效电路中，C的容抗1/C很小，而Lm1的感抗Lm1很大，相比起来，可将Lm1的作用忽略，而在串联的支路中，Li的作用即较为显著。于是可以把图3所示的等效电路简化成图4所示的等效电路。 图3图2的等效电路 图4图3的简化电路在这个电路中，频率越高，Li越大，而1/C越小，因而高频信号大多降在Li上，输出的高频分量就减少了，可见输入信号Usm前沿中所包含的高频分量就不能完全传输到输出端，频率越高的成分到达输出端越小，结果在输出端得到的波形前沿就和输入波形不同，

31、即产生了失真。要想减小这种波形失真，就要尽量减小分布电容C（应减小变压器一次绕组的匝数）。但又要得到一定的绕组电感量，所以需要用高磁导率的磁心。在绕制上也可以采取一些措施来减小分布电容，例如用分段绕法；为了减小漏感L1，可采用一、二次绕组交叠绕法等。（2）平顶阶段脉冲的平顶包含着各种低频分量。在低频情况下，并联在输出端的3个元件中，电容C的容抗1/C很大，因此电容C可以忽略。同时在串联支路中，Li的感抗Li很小，也可以略去。所以又可以把图3电路简化为图5所示的低频等效电路。信号源也可以等效成电动势为Usm的直流电源。这里可用下述公式表达Uo=(UsmRL)eT/(RsRL)=Lm1(RsRL)

32、RsRL可见Uo为一下降的指数波形，其下降速度决定于时间常数,越大，下降越慢，即波形失真越小。为此，应尽量加大Lm1，而减小Rs和RL,但这是有限的。如果Lm1太大，必然使绕组的匝数很多，这将导致绕组分布电容加大，致使脉冲上升沿变坏。 图5图3的低频等效电路 图6脉冲下降阶段的等效电路（3）下降阶段 下降阶段的信号源相当于直流电源Usm串联的开关S由闭合到断开的阶段，它与上升阶段虽然是相对的过程，但有两个不同；一是电感Lm1中有励磁电流，并开始释放，因此Lm1不能略去；二是开关S断开后，Rs便不起作用，由此得出下降阶段的等效电路，见图6。 一般来说，在脉冲变压器平顶阶段以后，Lm1中存储了比较

33、大的磁能，因此在开关断开后，会出现剧烈的振荡，并产生很大的下冲。为了消除下冲往往采用阻尼措施。2功率变压器的参数及公式2.1变压器的基本参数在磁路中，磁通集中的程度，称为磁通密度或磁感应强度，用B表示，单位是特斯拉（T），通常仍用高斯（GS）单位，1T=104GS。另一方面，产生磁通的磁力称为磁场强度，用符号H表示，单位是A/mH=0.4NI/li式中：N绕组匝数I电流强度li磁路长度磁性材料的磁滞回线表示磁性材料被完全磁化和完全去磁化这一过程的磁特性变化。图7为一典型的磁化曲线。由坐标0点到a点这段曲线称起始磁化曲线。曲线中的一些关键点是十分重要的，BS：饱和磁通密度，Br：剩磁，HC：矫顽

34、磁力。当Br越接近于BS值时，磁滞曲线的形状越接近于矩形，见图8（a），同时矫顽磁力HC越大时，磁滞曲线越宽，这表明这种磁性材料的磁化特性越硬，表明这种材料为硬磁性材料。当Br和BS相差越大，矫顽磁力HC越小时，即磁滞曲线越瘦，表明这种材料为软磁性材料，脉冲变压器的磁心材料应选用软磁性材料，见图8（b）。 图7不带气隙的磁滞回线 图8硬/软磁性材料和磁滞回线（a）硬磁材料(b)软磁材料 如果在磁心中开一个气隙，将建立起一个有气隙的磁路，它会改变磁路的有效长度。因为空气隙的磁导率为1，所以有效磁路长度le为le=liilg式中：li磁性材料中的磁路长度lg空气隙的磁路长度i磁性材料的磁导率对一个

35、给定安匝数，有空气隙磁心的磁通密度要比没有空气隙的磁通密度小。2.2设计变压器的基本公式为了确保变压器在磁化曲线的线性区工作，可用下式计算最大磁通密度（单位：T）Bm=(Up104)/KfNpSc式中：Up变压器一次绕组上所加电压（V）f脉冲变压器工作频率（Hz)Np变压器一次绕组匝数（匝）Sc磁心有效截面积（cm2）K系数，对正弦波为4.44,对矩形波为4.0一般情况下，开关电源变压器的Bm值应选在比饱和磁通密度Bs低一些。变压器输出功率可由下式计算（单位：W）Po=1.16BmfjScSo105式中：j导线电流密度（A/mm2）Sc磁心的有效截面积（cm2)So磁心的窗口面积（cm2）3对

36、功率变压器的要求（1）漏感要小 图9是双极性电路（半桥、全桥及推挽等）典型的电压、电流波形，变压器漏感储能引起的电压尖峰是功率开关管损坏的原因之一。图9双极性功率变换器波形 功率开关管关断时电压尖峰的大小和集电极电路配置、电路关断条件以及漏感大小等因素有关，仅就变压器而言，减小漏感是十分重要的。（2）避免瞬态饱和 一般工频电源变压器的工作磁通密度设计在BH曲线接近拐点处，因而在通电瞬间由于变压器磁心的严重饱和而产生极大的浪涌电流。它衰减得很快，持续时间一般只有几个周期。对于脉冲变压器而言如果工作磁通密度选择较大，在通电瞬间就会发生磁饱和。由于脉冲变压器和功率开关管直接相连并加有较高的电压，脉冲

37、变压器的饱和，即使是很短的几个周期，也会导致功率开关管的损坏，这是不允许的。所以一般在控制电路中都有软启动电路来解决这个问题。（3）要考虑温度影响 开关电源的工作频率较高，要求磁心材料在工作频率下的功率损耗应尽可能小，随着工作温度的升高，饱和磁通密度的降低应尽量小。在设计和选用磁心材料时，除了关心其饱和磁通密度、损耗等常规参数外，还要特别注意它的温度特性。一般应按实际的工作温度来选择磁通密度的大小，一般铁氧体磁心的Bm值易受温度影响，按开关电源工作环境温度为40考虑，磁心温度可达6080，一般选择Bm=0.20.4T，即20004000GS。（4）合理进行结构设计从结构上看，有下列几个因素应当

38、给予考虑：漏磁要小，减小绕组的漏感；便于绕制，引出线及变压器安装要方便，以利于生产和维护；便于散热。4磁心材料的选择软磁铁氧体，由于具有价格低、适应性能和高频性能好等特点，而被广泛应用于开关电源中。软磁铁氧体，常用的分为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两大系列，锰锌铁氧体的组成部分是Fe2O3，MnCO3，ZnO，它主要应用在1MHz以下的各类滤波器、电感器、变压器等，用途广泛。而镍锌铁氧体的组成部分是Fe2O3，NiO，ZnO等，主要用于1MHz以上的各种调感绕组、抗干扰磁珠、共用天线匹配器等。在开关电源中应用最为广泛的是锰锌铁氧体磁心，而且视其用途不同，材料选择也不相同。用于电源输入滤波器部分的磁心

39、多为高导磁率磁心，其材料牌号多为R4KR10K，即相对磁导率为400010000左右的铁氧体磁心，而用于主变压器、输出滤波器等多为高饱和磁通密度的磁性材料，其Bs为0.5T（即5000GS）左右。开关电源用铁氧体磁性材应满足以下要求：（1）具有较高的饱和磁通密度Bs和较低的剩余磁通密度Br磁通密度Bs的高低，对于变压器和绕制结果有一定影响。从理论上讲，Bs高，变压器的绕组匝数可以减小，铜损也随之减小。在实际应用中，开关电源高频变换器的电路形式很多，对于变压器而言，其工作形式可分为两大类：1）双极性。电路为半桥、全桥、推挽等。变压器一次绕组里正负半周励磁电流大小相等，方向相反，因此对于变压器磁心

40、里的磁通变化，也是对称的上下移动，B的最大变化范围为B=2Bm，磁心中的直流分量基本抵消。2）单极性。电路为单端正激、单端反激等，变压器一次绕组在1个周期内加上1个单向的方波脉冲电压（单端反激式如此）。变压器磁心单向励磁，磁通密度在最大值Bm到剩余磁通密度Br之间变化，见图7，这时的B=BmBr，若减小Br，增大饱和磁通密度Bs，可以提高B，降低匝数，减小铜耗。（2）在高频下具有较低的功率损耗 铁氧体的功率损耗，不仅影响电源输出效率，同时会导致磁心发热，波形畸变等不良后果。 变压器的发热问题，在实际应用中极为普遍，它主要是由变压器的铜损和磁心损耗引起的。如果在设计变压器时，Bm选择过低，绕组匝

41、数过多，就会导致绕组发热，并同时向磁心传输热量，使磁心发热。反之，若磁心发热为主体，也会导致绕组发热。 选择铁氧体材料时，要求功率损耗随温度的变化呈负温度系数关系。这是因为，假如磁心损耗为发热主体，使变压器温度上升，而温度上升又导致磁心损耗进一步增大，从而形成恶性循环，最终将使功率管和变压器及其他一些元件烧毁。因此国内外在研制功率铁氧体时，必须解决磁性材料本身功率损耗负温度系数问题，这也是电源用磁性材料的一个显著特点，日本TDK公司的PC40及国产的R2KB等材料均能满足这一要求。（3）适中的磁导率相对磁导率究竟选取多少合适呢？这要根据实际线路的开关频率来决定，一般相对磁导率为2000的材料，

42、其适用频率在300kHz以下，有时也可以高些，但最高不能高于500kHz。对于高于这一频段的材料，应选择磁导率偏低一点的磁性材料，一般为1300左右。（4）较高的居里温度居里温度是表示磁性材料失去磁特性的温度，一般材料的居里温度在200以上，但是变压器的实际工作温度不应高于80，这是因为在100以上时，其饱和磁通密度Bs已跌至常温时的70。因此过高的工作温度会使磁心的饱和磁通密度跌落的更严重。再者，当高于100时，其功耗已经呈正温度系数，会导致恶性循环。对于R2KB2材料，其允许功耗对应的温度已经达到110，居里温度高达240，满足高温使用要求。5开关电源功率变压器的设计方法5.1双极性开关电

43、源变压器的计算设计前应确定下列基本条件：电路形式,开关工作频率,变压器输入电压幅值,开关功率管最大导通时间,变压器输出电压电流,输出侧整流电路形式，对漏感及分布电容的要求，工作环境条件等。（1）确定磁心尺寸1）求变压器计算功率PtPt的大小取决于变压器输出功率及输出侧整流电路形式：全桥电路，桥式整流：Pt=(11/n)Po半桥电路，双半波整流：Pt=(1/n)Po推挽电路，双半波整流：Pt=(/n)Po式中：Po=UoIo，直流输出功率。Pt可在（22.8）Po范围内变化，Po及Pt均以瓦（W）为单位。n=N1/N2,变压匝数比。2）确定磁通密度BmBm与磁心的材料、结构形式及工作频率等因素有

44、关，又要考虑温升及磁心不饱和等要求。对于铁氧体磁心多采用0.3T（特斯拉）左右。3）计算磁心面积乘积SpSp等于磁心截面积Sc（cm2）及窗口截面积So（cm2）的乘积，即Sp=ScSo=(Pt104)/4BmfKwKj1.16(cm4)式中：Kw窗口占空系数，与导线粗细、绕制工艺及漏感和分布电容的要求等有关。一般低压电源变压器取Kw=0.20.4。Kj电流密度系数，与铁心形式、温升要求等有关。对于常用的E型磁心，当温升要求为25时，Kj=366；要求50时，Kj=534。环型磁心，当温升要求为25时，Kj=250;要求50时，Kj=365。由Sp值选择适用于或接近于Sp的磁性材料、结构形式和

45、磁心规格。（2）计算绕组匝数1）一次绕组匝数：N1=(Up1ton102)/2BmSc(匝)式中：Up1一次绕组输入电压幅值（V）ton一次绕组输入电压脉冲宽度（s）2）二次绕组匝数：N2=(Up2N1）/Up1（匝）Ni=(UpiN1）/Up1(匝)式中：Up2Upi二次绕组输出电压幅值（V）（3）选择绕组导线导线截面积Smi=Ii/j(mm2)式中：Ii各绕组电流有效值（A）j电流密度j=KjSp0.14102(A/mm2)（4）损耗计算1）绕组铜损Pmi=Ii2Rai(W)式中：Rai各绕组交流电阻（），Ra=KrRd，Rd导线直流电阻，Kr趋表系数,Kr=(D/2)2/(D),D圆导线直径（mm），穿透深度（mm），圆铜导线=66.1/f0.5（f：电流频率，Hz）变压器为多绕组时，总铜损为Pm=Ii2Rai(W)2）磁心损耗Pc=PcoGc式中：Pco在工作频率及工作磁通密度情况下单位质量的磁心损耗（W/kg）Gc磁心质量（kg）3