铁氧体磁芯选择与设计决策

博客作者：Mark Harris

在本文中，我将向您介绍DC-DC转换器或电源滤波电感器等应用中使用的标准铁氧体磁芯选择指南和设计过程。该流程涉及一系列步骤，需要使用多份数据表，并且如果铁氧体磁芯电感器设计需要间隙，则需要执行一定程度的迭代。各阶段如下：

在继续之前，我们需要考虑决定使用铁氧体磁芯而不是任何其他材料所造成的影响。请确保这是最适合您应用需求的材料。

确定磁芯大小（第1阶段）

本文所采用的设计旨在针对电感约为1mH的情况，所考虑的铁氧体材料为Ferroxcube制造的平面型铁氧体。其零件编号为E38/8/25，需要两个半部分来组成一个完整的磁芯组：

红框中突出显示的是磁芯的有效长度；这是计算峰值磁通密度的重要值。它是组合两瓣磁芯时磁通量的平均传输距离。如下图中的蓝线所示：

右边展示的是磁芯组和PCB的构建方式；PCB铜轨将形成线圈环，我们可能需要堆叠数个小型PCB才能得到正确的匝数。这种设计的另一个目的是可能降低整体外形高度。因此，我们选择了平面磁芯组。研究并选择铁氧体材料（第2阶段和第3阶段）E38/8/25磁芯有多种不同的铁氧体材料可供选择。常见的材料类型为3C90和3F3。下一步是研究这两种材料类型，以确定哪一种可能更受青睐。第一个比较项是频率响应，即铁氧体材料适合的频率有多高：

实线表示材料的磁导率（铁氧体“优质”系数）。在100kHz下，它们的值都在2000左右。这告诉我们，与空气相比，它们在（a）集中磁通量和（b）约束磁通量方面有多好。两者都比空气好2000倍，这一点很重要。但是两者在100kHz下没有太大区别，而且它们在高达1MHz的频率下都具有合理的性能。虚线表示磁芯材料损耗，在1MHz下，3F3材料略优于3C90。下一项比较表明磁导率随磁芯温度的变化程度：

在0°C至100°C的典型工作范围内，3F3材料将是首选。未显示的另一项比较是磁芯饱和水平。不过，我没有将其包括在内，因为两种材料的饱和水平非常接近，并且不会影响选择3F3材料的决定。概述我们选择了名为E38/8/25（Ferroxcube制造）的磁芯类型，并调查其制造材料。材料3C90和3F3都很常见，在研究其材料规格时，我们决定使用3F3，因为它的性能更好。为了得到这些结论，我们需要研究三份不同的数据表；磁芯组E38/8/25的数据表显示其制造材料，还告诉了我们一个关键参数，即有效长度。然后，我们研究了这两种材料的数据表，进行了并排技术比较。计算匝数（第4阶段）我们回到E38/8/25磁芯数据表，寻找一个名为AL （电感系数）的数字：

相关数值是左下角的7250。该数字的含义是，一匝铜绕组的电感将为7250nH（7.25）。这是使用两个相同的平面磁芯组合在一起时的值。您还应该注意磁芯磁导率（）的关联值为1570。最初在材料规格中，该值为2000；不过，模制成磁芯后，该值会稍微减少。中的“e”代表“有效”，即被称为有效磁导率。

由于铁氧体材料集中磁通量并（大致上）确保所有绕组匝间相互耦合，因此匝数与电感之间的关系为：

计算所需电流（第5阶段）

我们有一个磁芯组（以及磁芯材料），现已计算出所需的匝数，但需要通上什么电流？会引起问题吗？电流太大会导致磁芯饱和，因此应避免这种情况，但我们需要深入了解应用才能计算电流。在本示例中，我们假设应用是一个使用铁氧体磁芯选择指南和绕组作为DCM反激式变压器铁氧体磁芯的DC-DC转换器。因为它是反激式电路，所以我们无需分析任何次级电路方面以计算初级电流；我们只需要知道提供给负载的最大功率和工作频率。因此，假设工作频率为100千赫，负载所需的功率为40瓦。将负载功率除以频率，就会得到初级电路在每个开关周期必须存储并传输到次级电路的能量（单位为焦耳）。必须假设会有一些损失，因此我们会将能量提高10%，以解决这些损失。如果我们使用“众所周知”的电感器能量公式，则可使用以下方程计算出一次电路所需的峰值电流：当然，如果您想为绕组元件使用不同的应用电路，那么电流计算可能比上面显示的更简单。无论哪种情况，您仍然需要计算峰值电流以查看是否存在潜在的磁芯饱和问题。计算出目标应用的电流为0.918安培，我们知道该电流是反激式转换器的变压器铁氧体磁芯磁化电流。因此，它很容易使磁芯过度饱和。计算磁通密度（第6阶段）为了计算磁通密度，我们需要使用峰值电流、匝数以及第1阶段的有效长度值（）（两个E38/8/25磁芯瓣为52.4毫米）。您还记得这个数值吗？峰值电流、匝数和都会影响一个称为磁场强度（H）的值：因此，将H乘以磁导率，即可得到磁通密度B。已知，与空气相比，磁导率（）为1570；我们还知道（从各种来源），空气的绝对磁导率为每米1.257。因此，我们可以如下计算B：B = 210.2 ×1570 ×1.257 ×10-6 = 0.4148特斯拉这是预测的峰值磁通密度，从文献中得知，对铁氧体磁芯来说，该值太高。铁氧体在0.4特斯拉左右会严重饱和，因此我们必须稍微重新考虑方案。确定是否需要间隙（第7阶段）答案很简单：是的，我们需要降低预测的峰值磁通密度。好消息是，我们可以购买已预先实施间隙的E38/8/25磁芯组。还记得第4阶段的数据表摘录吗？

我们可以选择一个有间隙的磁芯和一个无间隙的磁芯，而不是选择两个无间隙的磁芯。这将产生以下磁芯结构：

如果我们选择一个间隙为0.25mm（250）的磁芯，则AL值会降低到1000，这意味着我们需要更多匝数才能产生1mH电感。

从第四阶段开始，我们现在应该使用32匝以得到1.024mH。

从第五阶段开始，峰值电流应为0.927安培（之前为0.918安培）。

从第六阶段开始，H现为每米566.1安培匝数（之前为210.2At/m）
B = 566.1 ×216 ×1.257 ×10-6 = 0.153特斯拉然后，我们可以使用带间隙的磁导率值216，重新计算峰值磁通密度。这显示了仅添加一个间隙的影响。我们倾向于为反激式转换器设定一个低于0.2特斯拉的值，因此这个值比较合适。以下是仿真提供的结论（作为一种完整性检查）：

这些数字相当吻合。间隙磁芯组（H场为566.1）的仿真磁通密度为129mT，而手动计算得出的值为153mT。针对无间隙12匝磁芯组（H场为210.2），我们得到的仿真磁通密度为413mT（非常接近手动计算的414.8mT）。概括首先，在设计变压器铁氧体磁芯或使用铁氧体磁芯电感器时，使用正确的设计过程至关重要。其次，现实世界的最终测试是无法替代的。任何手工制作（或自制）的绕组元件都需要此过程。不过，本文只能真实地展示过程，希望您可以按照本文所述执行操作以得到出色结果。如果您可以在此过程中更深入了解铁氧体磁芯电感器设计和间隙设计，那将是一个额外的收获。文章来源：Altium