【導讀】本(ben)文(wen)是(shi)基(ji)於(yu)電(dian)感(gan)設(she)計(ji)實(shi)際(ji)遇(yu)到(dao)的(de)一(yi)些(xie)細(xi)節(jie)和(he)科(ke)達(da)嘉(jia)電(dian)子(zi)自(zi)身(shen)在(zai)相(xiang)關(guan)細(xi)節(jie)上(shang)的(de)理(li)解(jie)以(yi)及(ji)對(dui)產(chan)品(pin)設(she)計(ji)的(de)管(guan)控(kong)來(lai)更(geng)好(hao)地(di)處(chu)理(li)可(ke)能(neng)出(chu)現(xian)的(de)誤(wu)差(cha)或(huo)者(zhe)問(wen)題(ti)，從(cong)而(er)持(chi)續(xu)優(you)化(hua)產(chan)品(pin)以(yi)求(qiu)實(shi)現(xian)綜(zong)合(he)不(bu)止(zhi)是(shi)磁(ci)芯(xin)而(er)是(shi)包(bao)含(han)多(duo)方(fang)麵(mian)因(yin)素(su)的(de)優(you)化(hua)電(dian)感(gan)產(chan)品(pin)設(she)計(ji)。

上個篇幅已對最大磁通密度進行了重點介紹
，本次篇幅將主要對磁芯損耗和線圈設計這兩個影響因素進行分析。

01 磁芯損耗

雖然對於電感損耗的研究持續了很多年(甚至比100年前的斯坦梅茨公式(Steinmetz formula)更早)並且從未中斷
，但是至今依然是實際工程問題中難以精確預測的問題。

電感的損耗主要分為銅線的損耗(wire loss)和磁芯的損耗(core loss)

，其中銅線的損耗在大多數應用中已經可以比較精確地預測了
，因為主要包含的因素：直流損耗、交流損耗(趨膚效應
，臨近效應和渦流效應)在通常的應用中已經可以比較好地預測
；

但是，磁芯的損耗很難有詳細的參數支撐計算
，因為磁芯的損耗主因裏磁滯損耗(hysteresis loss)和渦流損耗(eddy current loss)都需要依據具體的磁通密度B

，磁通密度擺幅ΔB，xingzhuangjiegouhecidaolvdezhiliupianzhidaozhidesunhaoxishu，pinlvsunhaoxishu
，woliusunhaoxishudenglaijinxingjisuan，zhexiecanshuwufatongguojiandandeceliangkuaisudedao，ershixuyaotongguoyixiliedeshiyanceshilaitongguotuxingnihedefangfatuidaochulaizhexiecanshu(稱為curve fitting)。

下圖大致分類了電感的損耗（Fig.1）：

Fig.1  電感的損耗分類（未填滿區域為輻射損失和雜散參數等其他損耗

，占比一般很小而忽略不計）

測量方法

銅線的損耗此處不再贅述，這裏主要來看一下磁芯損耗的測量。上個篇幅已經提到為了測量磁通密度而使用B-H特性測試儀來搭建了測試平台(如圖Fig.2)
，實際上測量磁芯的損耗可以直接用本測試平台來完成。

Fig.2  CODACA測試磁通密度的原理框圖

測量的原理是：在原邊通入正弦波AC勵磁信號V_1(t)，儀器檢測並由軟件掃描記錄測得的副邊繞組感應電壓V_2(t)，通過原邊的串接采樣電阻R_sense，測量原邊的實時電流i_1(t)。如圖（Fig.2）
，在副邊繞組的感應電壓完全是由勵磁信號產生的磁通瞬變而產生：

於是，副邊繞組的所確立的（N₁/N₂ ）· i_1(t) (原邊電流折算到副邊）與V_2(t)形成磁芯的B-H特性曲線就是單純的勵磁磁場強度H與感應磁場強度B之間的實測曲線，單向(如B正軸方向+B)勵磁的係統能量以儲能形式存儲在磁場中(有損耗)；

反之

，單向(如B負軸方向-B)退磁的係統能量以釋能形式釋放出磁場外（有損耗）
，在磁通密度B從+H的o處回到-H的o處，係統受到了功率輸入Pin也產生了功率輸出Pout：整個周期如前述是對稱的
，DUT磁芯在周期T=1/f內磁通擺幅動態平衡
，於是通過對整個周期內副邊繞組的功率流動積分：圖片就等同於DUT磁芯在磁化-退磁的過程產生的磁芯損耗(core loss)，其中主要包含的損耗成分為磁滯損耗，但是當測試頻率或者測試電壓提高時
，渦流損耗的占比也會提升– 最終，無論是何種形式產生了損耗，科達嘉的測量方式主要遵循斯坦梅茨公式的計算方法，以實際工程參考價值為方向。

因此
，此測試原理如下圖（Fig.3）所示：

Fig.3磁芯損耗的測試原理：係統功率輸入與功率輸出的差值部分大致相當於磁滯損耗(B-H曲線閉合區域內)

磁芯損耗的測試原理：係統功率輸入與功率輸出的差值部分大致相當於磁滯損耗(B-H曲線閉合區域內)。由此，最終以單位體積的磁芯損耗(P_cv)為計量的磁芯損耗測試結果表達式就是：

同(tong)樣(yang)，為(wei)了(le)完(wan)成(cheng)右(you)側(ce)的(de)積(ji)分(fen)運(yun)算(suan)，因(yin)為(wei)前(qian)述(shu)已(yi)經(jing)提(ti)到(dao)電(dian)感(gan)兩(liang)端(duan)電(dian)壓(ya)和(he)通(tong)過(guo)電(dian)流(liu)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)相(xiang)位(wei)差(cha)
，這(zhe)個(ge)相(xiang)位(wei)差(cha)是(shi)依(yi)賴(lai)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)測(ce)試(shi)回(hui)路(lu)的(de)阻(zu)抗(kang)分(fen)配(pei)的(de)很(hen)難(nan)固(gu)定(ding)關(guan)聯(lian)而(er)減(jian)少(shao)積(ji)分(fen)號(hao)內(nei)變(bian)量(liang)的(de)數(shu)量(liang)，因(yin)此(ci)更(geng)切(qie)實(shi)可(ke)靠(kao)的(de)做(zuo)法(fa)是(shi)靠(kao)測(ce)試(shi)儀(yi)掃(sao)描(miao)整(zheng)個(ge)回(hui)路(lu)的(de)數(shu)值(zhi)然(ran)後(hou)交(jiao)給(gei)軟(ruan)件(jian)去(qu)做(zuo)運(yun)算(suan)。這(zhe)個(ge)功(gong)能(neng)同(tong)樣(yang)由(you)CODACA研發中心的B-H特性測試儀來完成。

參數的準確性

斯坦梅茨公式的一般表達式為：

其中：K 是損耗線性關聯係數，靠實測數據通過curve fitting倒推出來；α，β分別是磁芯損耗對磁通擺幅Bm和開關頻率f的指數關聯係數，同樣靠curve fitting推導。

觀guan察cha這zhe個ge表biao達da式shi會hui發fa現xian它ta和he將jiang磁ci芯xin損sun耗hao分fen為wei磁ci滯zhi損sun耗hao和he渦wo流liu損sun耗hao來lai區qu別bie對dui待dai不bu一yi樣yang，其qi實shi本ben質zhi上shang都dou是shi基ji於yu測ce試shi數shu據ju通tong過guo圖tu形xing擬ni合he的de方fang式shi得de到dao的de近jin似si值zhi
，隻zhi不bu過guo這zhe裏li將jiang兩liang項xiang係xi數shu又you再zai次ci進jin行xing了le整zheng合he。

為了得到這些關鍵損耗係數
，對於這個3元變量關係式
，通常的做法是固定2個變量再去測試第3個變量的影響係數

，從而分別得到這些參數。對於大多數相同材質、相同形狀、相同繞線結構的磁芯而言，得出這些數據可以方便延伸到同係列其他感值的電感
，通常具有較高的準確性。

除了測試的理論基礎
，對於磁芯而言，通常提供的損耗參考曲線是一張B_m - f- P_cv3元的關係曲線，但是缺乏測試環境溫度的影響，為了滿足這樣的需求，CODACA在B-H特性測試儀的基礎上增加了恒溫測試治具
，從而可以準確測試在特殊溫度環境下的磁芯損耗。

以下是CODACA自製的Sendust磁芯和FeSi磁芯的損耗曲線(如下圖Fig.3 )
，科達嘉自製磁芯主要用於組裝自己的電感產品係列，目前已經開發出非常多低損耗材質係列，為提高電源的轉換效率
、降低係統熱耗散壓力提供了更多優化的選擇。

Fig.3  CODACA自製Sendust和FeSi磁芯損耗測試結果

在線電感損耗計算工具

為了方便客戶能夠自助查詢在特定工作情況下CODACA電感產品的功率損耗
，CODACA提供在線電感損耗計算工具：

codaca.com/PowerInductorLossComparison/ ,

或者直接訪問CODACA公司主頁：www.codaca.com選擇“設計工具”-“功率電感損耗對比”即可使用。

使用這個工具非常簡單
，按照給定的工作條件選擇對應需要的CODACA電感料號，再點擊“搜索”即完成計算並返回：參數對照表(同時最多對比4項型號)，損耗對比
，飽和電流曲線和溫升電流曲線，如下圖（Fig.4 ）所示：

Fig.4  CODACA在線電感損耗計算工具(示例)

02 線圈設計

在一般性的低壓功率轉換中，采用扁平銅線(flat wire)代替傳統的圓銅線(round wire)就是近些年比較大的一個工程進步
；在高壓功率應用上，安規絕緣要求對繞組使用的銅線材質提出新的挑戰；在高頻率開關電源上，如何在成本和性能之間取舍也是考驗設計能力的難題。

CODACA在大電流電感領域開發了大量不同封裝尺寸和結構的產品(如下圖Fig.5)，具有非常大的產品線優勢，這一切和扁線工藝的提升離不開關係。

傳統的圓銅線在窗口利用率(window utilization)方麵顯得捉襟見肘，同時因為ACxiangyingdequfuxiaoyinghewoliusunhaodewenti，shidetazaidadianliuyingyongshangchangchanglangfeihenduoraoxiankongjianerwufashixiangenggaodegonglvmiduyejizuiyouhuakongjiandianliurongnalv。bianpingtongxiannenggoubijiaohaodijiejuezhexiewenti，danshibianpingtongxiandejiagongraozhiguochengzhonghuiyudaobiruwanjiaodejixieqiangduwenti、絕緣層的保證問題以及加工繞製的機床磨具設計問題等。

Fig.5  CODACA大電流產品 – CPEX4141L係列

在這樣的產品設計上，繞線的難度比磁芯的選擇更考驗製造商的工程技術能力。但這還不是全部：在以鐵氧體(Ferrite)為磁芯的電感產品係列上，因為材質內部本身是經過1300多度高溫燒結(sintering)而成，無法填充分布式氣隙，因此不能承受較高的峰值電流；為了使電感能夠獲得更高的飽和電流(Isat)，常常需要在加工組裝過程中人為製造氣隙
，也即常說的“磨氣隙”或者結構氣隙。

那麼就會出現至少2個相當具有智慧挑戰性的工程問題：氣隙開在什麼位置和開出多少氣隙滿足飽和電流的要求，並且能夠做到最低的損耗。

henmingxian
，zhegewentiyijingbuzaishicixindandudewenti
，ershiwanquanyaocongchanpindezongtixingnenglaikaolvdewenti。xianquanraozuyuqixidexiangduiweizhijuedingleouhexishu
，zhehuishideqixideyouxiaolvchanshengbianhua；而er另ling外wai一yi方fang麵mian，因yin為wei氣qi隙xi內nei的de磁ci通tong是shi自zi由you穿chuan透tou銅tong線xian繞rao組zu的de
，在zai渦wo流liu損sun耗hao方fang麵mian又you會hui產chan生sheng明ming顯xian的de差cha別bie，如ru何he衡heng量liang，是shi需xu要yao累lei積ji相xiang當dang多duo的de工gong程cheng設she計ji經jing驗yan的de，限xian於yu篇pian幅fu，此ci處chu就jiu不bu再zai一yi一yi拓tuo展zhan了le。

03 綜述

誠如以上這些細節的觀察(這裏隻是羅列了一少部分的問題)
，電(dian)感(gan)的(de)設(she)計(ji)雖(sui)然(ran)對(dui)磁(ci)芯(xin)的(de)要(yao)求(qiu)始(shi)終(zhong)放(fang)在(zai)重(zhong)要(yao)的(de)位(wei)置(zhi)，但(dan)是(shi)在(zai)實(shi)際(ji)的(de)工(gong)程(cheng)問(wen)題(ti)上(shang)，磁(ci)芯(xin)僅(jin)僅(jin)隻(zhi)是(shi)各(ge)種(zhong)參(can)考(kao)要(yao)素(su)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)。為(wei)了(le)設(she)計(ji)實(shi)用(yong)的(de)儲(chu)能(neng)型(xing)電(dian)感(gan)，也(ye)即(ji)實(shi)現(xian)足(zu)夠(gou)的(de)飽(bao)和(he)電(dian)流(liu)同(tong)時(shi)又(you)能(neng)兼(jian)顧(gu)最(zui)低(di)的(de)損(sun)耗(hao)，往(wang)往(wang)更(geng)需(xu)要(yao)的(de)是(shi)對(dui)磁(ci)芯(xin)更(geng)嚴(yan)謹(jin)的(de)測(ce)試(shi)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)以(yi)及(ji)依(yi)據(ju)磁(ci)芯(xin)材(cai)質(zhi)而(er)設(she)計(ji)的(de)線(xian)圈(quan)繞(rao)組(zu)結(jie)構(gou)。

來源：CODACA

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