磁性元件在开关电源中有哪些损耗

开关电源磁性元件一般就是指变压器和电感，变压器在开关电源中应用非常广泛。变压器的作用大致是提供初级和次级的电气隔离，使输出电压或升或降，传送能量。电感在开关电源中起着储能和滤波作用。在典型的降压转换中，电感的一端是连接到DC输出电压，另一端通过开关频率切换连接到输入电压或者GND，在开关判断期间对负载提供持续的能量。

通常情况下，磁性元件的损耗占开关电源总损耗的15%左右，了解磁性元件的损耗的组成对提高电源效率具有重要意义。磁性元件上发生的损耗包括铁损和铜损。

铁损

变压器铁损包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗。

磁滞损耗

磁畴在电磁磁化作用下发生的转动，其中的弹性转动是储能，将来反向磁化磁能还会释放，但是另一部分刚性摩擦造成的形变就以热的形式散发出去，也就是磁滞损耗，它与磁滞回线的面积成正比。 磁滞损耗可以利用ZDS2024电源测试插件可计算。这对于提高开关电源的效率具有重要的指导意义。

图1 磁芯的磁滞回线

涡流损耗

当变压器工作时。磁芯中有磁力线穿过，在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流，由于电流自成闭合回路形成环流，且成旋涡状，故称为涡流。涡流的存在使磁芯发热，消耗能量，这种损耗称为涡流损耗。

图2 磁芯中的涡流

图3 叠片变化磁通产生的涡流

剩余损耗

主要是在高频1MHz以上一些驰豫损耗和旋磁共振等，在开关电源几百KHz的电力电子场合剩余损耗比例非常低，可以近似忽略。

铜损

变压器绕组的损耗

包含直流损耗和交流损耗

1. 直流损耗

直流损耗主要是因为电流流过变压器绕组的实阻抗而引起的损耗，正比于电流有效值大小的平方。 P=I2*R

2. 交流损耗

相对复杂，包含绕组趋肤效应，临近效应引起的损耗。

a）集肤效应

集肤效应又叫趋肤效应，是指导体通过交流电流时，在导体截面中，存在边缘部分电流密度大，中心部分电流密小的现象。电流流过导体时，会产生磁场。对于交变的电流，则会产生交变的磁场。根据法拉第电磁感应，导体本身会产生涡流，引起损耗。

图4 高频电流引起集肤效应

b）邻近效应

当两个相邻导体流过方向相反的电流时，相互之间会产生磁动势，则磁动势在对方导体中会产生涡流，引起损耗。

图5 邻近效应示意图

值得一提的是，ZDS2024示波器电源测试插件针对电源的磁性元件提供的专业的分析，除了其磁损耗之外，还能对磁性元件的电感、I-∫V关系以及磁性进行分析，对电源客户来说，是非常有意义的。