CN113933600A - 针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法及装置，可包括：向用于集成电路电源系统的电感元件的磁芯中施加具有饱和失真波形的电流，其中电流呈周期性变化。在电流的作用下，采集磁芯的磁滞回线的多个特征点，其中磁滞回线表示作用于磁芯的磁场强度和磁芯产生的磁感应强度的变化关系。根据多个特征点，确定用于拟合磁滞回线的S曲线的参数，以获得磁滞回线的方程。根据磁滞回线的方程，并基于磁芯损耗的定义，对磁滞回线进行积分，以确定磁芯的平均功率损耗。本申请可避免现有技术中在直流偏置的情况下，难以准确获得磁芯损耗的问题，为确定电感元件的磁芯损耗提供了便捷且精确的方式。

Description

针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法及装置

技术领域

本申请涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法及装置。

背景技术

系统级集成电路电源系统电感元件的磁芯损耗具有非线性特征，以致计算过程较为困难，当然也难以获得较为精准的磁芯损耗值。传统上，估算电感元件的磁芯损耗通常采用Steinmetz公式，即

其中

为磁芯单位体积下单位时间的平均功率损耗，k、α和β均为与磁芯材料相关的系数，f为正弦激励下的变压器工作频率，B_max为正弦激励下变压器磁芯工作的最大磁通密度。但是，Steinmetz公式只适用于正弦激励，而系统级集成电路电源系统的电感元件的磁芯通过的激励电流波形往往不是正弦波，若采用Steinmetz公式估算磁芯损耗值，必然会存在较大的误差，另外，直流偏置对磁芯的功率损耗也有极大的影响。

考虑到电感元件磁芯中磁畴壁的运动引起的损耗与磁场随时间的变化率直接相关，因此将Steinmetz公式改进为广义Steinmetz公式，即

其中T为激励电流波形的周期，ΔB为磁通密度的峰值，k_i、α和β均为与磁芯材料相关的系数。实际上k_i、α和β是变化的，然而广义Steinmetz公式却将k_i、α和β当做常数处理，以致在直流偏置条件下使用广义Steinmetz公式会存在较大误差。具体地，图2是在输入的电流饱和失真的情况下通过磁芯的激励电流的三角形波形示意图，在三角形波形的电流出现不同的直流偏置时，广义Steinmetz公式中的k_i、α和β也是有所差别的。并且，如图2所示，在r₁T至r₂T时间段，磁芯的电感线圈产生的磁通密度与电流满足如下关系：

其中r为一小于1的比例系数，μ₀为真空磁导率，N为缠绕在磁芯上用于制备集成电路电源系统电感元件的线圈的匝数，I(t)为加载在集成电路电源系统电感元件上的电流的工作波形，l_i为缠绕在第i段磁芯上形成第i段电感元件的长度，μ_r,i为第i段磁芯的相对磁导率。因此，在r₁T至r₂T时间段，电感元件磁芯中磁畴壁的运动引起的损耗与磁场随时间的变化率为0，即该时间段内的积分为0，也就是说根据上述公式该时间段内没有能量损耗。然而，实际上在r₁T至r₂T时间段，由于弛豫现象会导致一定的剩余损耗。综上所述，在电流信号饱和失真且直流偏置的情况下，采用广义的Steinmetz公式计算磁芯损耗依然是不准确的。

发明内容

本申请提供了一种针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法及装置，以期解决或部分解决背景技术中涉及的上述问题或现有技术中的其它至少一个不足。

本申请提出了一种针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法，可包括：向用于集成电路电源系统的电感元件的磁芯中施加具有饱和失真波形的电流，其中电流呈周期性变化。在电流的作用下，采集磁芯的磁滞回线的多个特征点，其中磁滞回线表示作用于磁芯的磁场强度和磁芯产生的磁感应强度的变化关系。根据多个特征点，确定用于拟合磁滞回线的S曲线的参数，以获得磁滞回线的方程。根据磁滞回线的方程，并基于磁芯损耗的定义，对磁滞回线进行积分，以确定磁芯的平均功率损耗，其中磁芯损耗计算公式为：

其中，H_min为电流达到反向最大时对应的磁场强度，H_2max为周期内电流达到饱和失真电流开始时对应的磁场强度，H_3max为周期内电流达到饱和失真电流结束时对应的磁场强度，B₁(H)为当磁场强度H在相应积分区间内变化时退磁曲线对应的磁感应强度，B₂(H)为当磁场强度H在相应积分区间内变化时磁化曲线对应的磁感应强度。

在一些实施方式中，在电流的作用下，采集磁芯的磁滞回线的多个特征点，可包括：在电流的多个周期内，分别依序采集用于初步表征磁芯的磁滞回线的第一测量点、第二测量点、第三测量点、第四测量点、第五测量点、第六测量点和第七测量点；以及对多个第一测量点、多个所述第二测量点、多个所述第三测量点、多个所述第四测量点、多个第五测量点、多个第六测量点和多个第七测量点分别进行求均值处理，以获得用于稳定表征所述磁芯的磁滞回线的第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点、第五特征点、第六特征点和第七特征点。

在一些实施方式中，特征点为由作用于所述磁芯的磁场强度值和磁芯产生的磁感应强度值构成的一组具有对应关系的数对；其中，特征点可包括：由磁芯产生的磁感应强度值达到反向饱和时对应的磁场强度值，和磁芯的反向磁感应强度饱和值组成的第一特征点；由数值零，和磁化过程中磁芯的剩余磁感应强度值组成的第二特征点；由磁化过程中磁芯的材料的矫顽力值，和数值零组成的第三特征点；由磁化过程中磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值，和磁化过程中磁芯的正向磁感应强度饱和值组成的第四特征点；由退磁过程中磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值，和退磁过程中磁芯的正向磁感应强度饱和值组成的第五特征点；由数值零，和退磁过程中磁芯的剩余磁感应强度值组成的第六特征点；以及由退磁过程中磁芯的材料的矫顽力值，和数值零组成的第七特征点。

在一些实施方式中，根据多个特征点，确定用于拟合磁滞回线的S曲线的参数，以获得磁滞回线的方程，可包括：根据S曲线的在变量趋于无穷大时输出结果向固定值收敛的属性，将磁芯产生的磁感应强度值达到反向饱和时对应的磁场强度值设定为负无穷大，将磁化过程中磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值、和退磁过程中磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值均设定为正无穷大；将第一特征点、第二特征点、第三特征点和第四特征点分别代入S曲线，以确定磁化过程对应的S曲线的参数的初始值；采用牛顿迭代法，确定磁化过程对应的S曲线的参数的准确值，以确定磁芯的磁化曲线方程；将第五特征点、第六特征点、第七特征点和第一特征点分别依序代入S曲线，以确定退磁过程对应的S曲线的参数的初始值；采用牛顿迭代法，确定退磁过程对应的S曲线的参数的准确值，以确定磁芯的退磁曲线方程；以及整合磁化曲线方程和退磁曲线方程，获得磁芯的磁滞回线。

在一些实施方式中，牛顿迭代法包括：分别将S曲线的各个参数确定为迭代变量；根据迭代变量，确定牛顿迭代公式，其中牛顿迭代公式表示用于根据迭代变量的前一个值推导出迭代变量的下一个值的公式；以及确定迭代变量的目标函数，响应于目标函数的模值小于预设阈值的情况，将模值对应的迭代变量的值作为S曲线的参数的准确值；其中，目标函数表征利用以迭代变量为参数的S曲线获得的特征点位置处的计算值与特征点位置处的测量值之间差值。

在一些实施方式中，磁芯损耗计算公式为：

其中，

为磁芯在单位体积单位时间下的平均功率损耗，f为电流的波形频率，L为沿磁滞回线积分的积分路径，B为磁芯产生的磁感应强度，H为磁场强度。

本申请还提供了一种针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定装置，可包括：电流供给模块、采集模块、拟合模块和损耗确定模块。电流供给模块用于向用于集成电路电源系统的电感元件的磁芯中施加具有饱和失真波形的电流，其中电流呈周期性变化。采集模块用于在电流的作用下，采集磁芯的磁滞回线的多个特征点，其中磁滞回线表示作用于磁芯的磁场强度和磁芯产生的磁感应强度的变化关系。拟合模块用于根据多个特征点，确定用于拟合磁滞回线的S曲线的参数，以获得磁滞回线的方程。损耗确定模块用于根据磁滞回线的方程，并基于磁芯损耗的定义，对磁滞回线进行积分，以确定磁芯的平均功率损耗，其中磁芯损耗计算公式为：

其中，H_min为电流达到反向最大时对应的磁场强度，H_2max为周期内电流达到饱和失真电流开始时对应的磁场强度，H_3max为周期内电流达到饱和失真电流结束时对应的磁场强度，B₁(H)为当磁场强度H在相应积分区间内变化时退磁曲线对应的磁感应强度，B₂(H)为当磁场强度H在相应积分区间内变化时磁化曲线对应的磁感应强度。

在一些实施方式中，在电流的作用下，采集磁芯的磁滞回线的多个特征点，包括：在电流的多个周期内，分别依序采集用于初步表征磁芯的磁滞回线的第一测量点、第二测量点、第三测量点、第四测量点、第五测量点、第六测量点和第七测量点；以及对多个第一测量点、多个第二测量点、多个第三测量点、多个第四测量点、多个第五测量点、多个第六测量点和多个第七测量点分别进行求均值处理，以获得用于稳定表征所述磁芯的磁滞回线的第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点、第五特征点、第六特征点和第七特征点。

在一些实施方式中，特征点为由作用于磁芯的磁场强度值和磁芯产生的磁感应强度值构成的一组具有对应关系的数对；其中，特征点包括：由磁芯产生的磁感应强度值达到反向饱和时对应的磁场强度值，和磁芯的反向磁感应强度饱和值组成的第一特征点；由数值零，和磁化过程中磁芯的剩余磁感应强度值组成的第二特征点；由磁化过程中磁芯的材料的矫顽力值，和数值零组成的第三特征点；由磁化过程中磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值，和磁化过程中磁芯的正向磁感应强度饱和值组成的第四特征点；由退磁过程中磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值，和退磁过程中磁芯的正向磁感应强度饱和值组成的第五特征点；由数值零，和退磁过程中磁芯的剩余磁感应强度值组成的第六特征点；以及由退磁过程中磁芯的材料的矫顽力值，和数值零组成的第七特征点。

在一些实施方式中，拟合模块的执行步骤包括：根据S曲线的在变量趋于无穷大时输出结果向固定值收敛的属性，将磁芯产生的磁感应强度值达到反向饱和时对应的磁场强度值设定为负无穷大，将磁化过程中磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值、和退磁过程中磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值均设定为正无穷大；将第一特征点、第二特征点、第三特征点和第四特征点分别代入S曲线，以确定磁化过程对应的S曲线的参数的初始值；采用牛顿迭代法，确定磁化过程对应的S曲线的参数的准确值，以确定磁芯的磁化曲线方程；将第五特征点、第六特征点、第七特征点和第一特征点分别依序代入S曲线，以确定退磁过程对应的S曲线的参数的初始值；采用牛顿迭代法，确定退磁过程对应的S曲线的参数的准确值，以确定磁芯的退磁曲线方程；以及整合磁化曲线方程和退磁曲线方程，获得磁芯的磁滞回线。

在一些实施方式中，牛顿迭代法包括：分别将S曲线的各个参数确定为迭代变量；根据迭代变量，确定牛顿迭代公式，其中牛顿迭代公式表示用于根据迭代变量的前一个值推导出迭代变量的下一个值的公式；以及确定迭代变量的目标函数，响应于目标函数的模值小于预设阈值的情况，将模值对应的迭代变量的值作为S曲线的参数的准确值；其中，目标函数表征利用以迭代变量为参数的S曲线获得的特征点位置处的计算值与特征点位置处的测量值之间差值。

在一些实施方式中，磁芯损耗计算公式为：

其中，

为磁芯在单位体积单位时间下的平均功率损耗，f为电流的波形频率，L为沿磁滞回线积分的积分路径，B为磁芯产生的磁感应强度，H为磁场强度。

根据上述的实施方式的技术方案可至少获得以下至少一个有益效果。

根据本申请一实施方式的针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法及装置，通过采集集成电源电路系统中电感元件的磁芯的多个特征点，进而通过特征点确定用于拟合磁芯磁滞回线的S曲线的参数，以拟合出磁芯的磁滞回线，最终直接根据磁芯损耗的定义，通过对磁滞回线进行积分的方法可获得电感元件的磁芯损耗。基于上述，即可避免现有技术中在直流偏置的情况下，难以准确获得磁芯损耗的问题，为确定电感元件的磁芯损耗提供了便捷且精确的方式。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本申请的示例性实施方式的针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法的流程图；

图2是在输入的电流波形饱和失真的情况下通过磁芯的激励电流的三角形波形示意图；

图3是根据本申请的示例性实施方式的针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法的对应于图2所示的电流波形的磁滞回线示意图；

图4是根据本申请的示例性实施方式的针对集成电路电流饱和失真的对应于图2所示的集成电路电流实际饱和失真电流缓慢增大时磁滞回线示意图；以及

图5是根据本申请的示例性实施方式的针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定装置的结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。

在附图中，为了便于说明，已稍微调整了元素的大小、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。如在本文中使用的，用语“大致”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。另外，在本申请中，各步骤处理描述的先后顺序并不必然表示这些处理在实际操作中出现的顺序，除非有明确其它限定或者能够从上下文推导出的除外。

还应理解的是，诸如“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”等表述在本说明书中是开放性而非封闭性的表述，其表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合的存在。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，其修饰整列特征，而非仅仅修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

除非另外限定，否则本文中使用的所有措辞(包括工程术语和科技术语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，除非本申请中有明确的说明，否则在常用词典中定义的词语应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应以理想化或过于形式化的意义解释。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请。

图1是根据本申请的示例性实施方式的针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法的流程图。

如图1所示，本申请提出了一种针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法，可包括：步骤S1，向用于集成电路电源系统的电感元件的磁芯中施加具有饱和失真波形的电流，其中电流呈周期性变化。步骤S2，在电流的作用下，采集磁芯的磁滞回线的多个特征点，其中磁滞回线表示作用于磁芯的磁场强度和磁芯产生的磁感应强度的变化关系。步骤S3，根据多个特征点，确定用于拟合磁滞回线的S曲线的参数，以获得磁滞回线的方程。步骤S4，根据磁滞回线的方程，并基于磁芯损耗的定义，对磁滞回线进行积分，以确定磁芯的平均功率损耗。

在一些实施方式中，首先，向用于集成电路电源系统的电感元件的磁芯施加具有饱和失真波形的电流，也就是向磁芯施加具有饱和失真波形的电流。需要说明的是，向磁芯施加的电流的变化可具有周期性，该电流的工作波形可为正弦波、或三角形波等，但这种电流波形是饱和失真的，即为了模拟加载至集成电路的三极管的偏置电流过大，导致的信号电压和电流的波峰被削平的现象，因此加载到磁芯的电流是饱和失真的。另外，作用于磁芯的磁场强度值由加载在用于集成电路电源系统的电感元件上的电流产生，该电流的波形与用于集成电路电源系统的电感元件的工作波形完全相同，若向磁芯中施加的电流的工作波形不同，形成的磁滞回线也不相同。并且，在许多集成电路的电源系统中，根据集成电路中三极管的需求，磁性元件需要通过直流或低频预磁化偏置，例如在集成电路的开关电源电路中，通常使用在直流偏置条件下工作的磁性元件，因此输入的电流信号还会存在直流偏置的情况，并且，还有可能因为直流偏置过大导致出现饱和失真的问题。基于此，首先需要根据电流的工作波形确定电感元件的磁芯的磁滞回线，然后依据磁滞回线通过积分的方法确定电感元件的磁芯损耗。

进一步地，当电感元件的磁芯通入上述电流后，在电流的作用下，磁芯内会产生随着电流变化的磁场，进而会产生一定的磁芯损耗。基于磁芯的磁芯损耗，会生成对应的磁滞回线。当然，通过磁芯的不同的电流信号会产生不同状态的磁滞回线。

图2是在输入的电流波形饱和失真的情况下通过磁芯的激励电流的三角形波形示意图；以及图3是根据本申请的示例性实施方式的针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法的对应于图2所示的电流波形的磁滞回线示意图。

在一些实施方式中，如图2所示，为模拟加载给集成电路的三极管的偏置电流太大，导致信号电压和电流的波峰被削平的现象，加载到磁芯上的电流波形为三角形波形，且是饱和失真的，其一个工作周期为T，在该周期内的电流最大值为i_max，在该周期内的电流最小值为i_min，且该周期内的电流最大值与电流最小值之间差为Δi_L。进一步地，i_DC为输入的电流的平均电流值，可以看到平均电流值大于零，换言之该电流信号具有直流偏置现象。在该电流的工作波形在周期T内，可以看到该电流的工作波形在时间段r₁T至r₂T内，电流信号保持不变，且该时间段的电流为该周期内的饱和失真电流，换言之，此时的电流信号具有饱和失真的情况。进一步地，在电流不变的时间段内，对磁芯施加的磁场恒定，但磁芯的磁化仍在进行，因此仍会发生残余能量的损耗。这反映到磁滞回线上，可参考图3，会形成一段竖直的退磁曲线L₂至L₃段，L₂至L₃段对应于时间段r₁T至r₂T的电流工作波形。在L₂至L₃段中，磁场强度H保持在最大值处但磁感应强度B上升到新的最大值；在时间点r₂T后，对应的退磁曲线的L₃点，电流值开始减小，此时磁场强度H随着磁感应强度B的下降而下降，直至下降到最低点L₁处。可以看到，该磁滞回线的特殊点可包括：L₂至L₃段的端点，即L₂处的磁场强度H_max和磁感应强度B_2max以及L₃处的磁场强度H_max和磁感应强度B_3max；L₁位置处，即电流波形到达波谷时对应的磁场强度H_min和磁感应强度B_min；磁化过程中磁场强度为零时对应的磁感应强度B_r2处；磁化过程中磁感应强度为零时对应的磁场强度H_c2处；退磁过程中磁场强度为零时对应的磁感应强度B_r1处；以及退磁过程中磁感应强度为零时对应的磁场强度H_c1处。

然而，实际工作环境中，加载到磁芯的饱和失真电流并不是不变的，而是从开始饱和失真到饱和失真结束的时间段内其电流仍缓慢增大，在饱和失真结束时加载的正向电流达到最大，此时对应的磁滞回线如图4所示，与图3的区别在于，磁滞回线对应的

段不再是外加的正向磁场强度不变的竖直线，而是第四特征点对应的外加的正向磁场强度H_2max小于第五特征点对应的外加的正向磁场强度H_3max。

在一些实施方式中，S曲线具有中间陡峭、两端平缓并分别收敛于固定值的特性，且磁芯的磁滞回线包括的磁化曲线和退磁曲线均具有与S曲线相同的特征。基于此，本申请用S曲线分别拟合磁化曲线和退磁曲线，进而可构成磁芯的磁滞回线。

首先，在电流的作用下，采集磁芯的磁滞回线的多个特征点，其中磁滞回线表示作用于磁芯的磁场强度和磁芯产生的磁感应强度的变化关系。具体地，在电流的作用下，采集磁芯的磁滞回线的多个特征点，可包括：在电流多个周期内，分别依序采集用于初步表征磁芯的磁滞回线的第一测量点、第二测量点、第三测量点、第四测量点、第五测量点、第六测量点和第七测量点；并对多个第一测量点、多个第二测量点、多个第三测量点、多个第四测量点、多个第五测量点、多个第六测量点和多个第七测量点分别进行求均值处理，以获得用于稳定表征磁芯的磁滞回线的第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点、第五特征点、第六特征点和第七特征点。

在一些实施方式中，特征点为由作用于磁芯的磁场强度值和磁芯产生的磁感应强度值构成的一组具有对应关系的数对。特征点可包括：由磁芯产生的磁感应强度值达到反向饱和时对应的磁场强度值，和磁芯的反向磁感应强度饱和值组成的第一特征点。由数值零，和磁化过程中磁芯的剩余磁感应强度值组成的第二特征点，其中数值零为磁化过程中的外加磁场强度值，剩余磁感应强度值为磁化过程中当外加磁场强度值为零时对应的磁芯的磁感应强度值。由磁化过程中磁芯的材料的矫顽力值，和数值零组成的第三特征点，其中矫顽力值为磁化过程中使得磁芯的磁感应强度值为零的外加磁场强度值，数值零为磁化过程中磁芯材料的矫顽力值对应的磁芯的磁感应强度值。由磁化过程中磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值，和磁化过程中磁芯的正向磁感应强度饱和值组成的第四特征点。由退磁过程中磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值，和退磁过程中磁芯的正向磁感应强度饱和值组成的第五特征点。由数值零，和退磁过程中磁芯的剩余磁感应强度值组成的第六特征点，其中数值零为退磁过程中的外加磁场强度值，剩余磁感应强度值为退磁过程中当外加磁场强度值为零时对应的磁芯的磁感应强度值。以及由退磁过程中磁芯的材料的矫顽力值，和数值零组成的第七特征点，其中矫顽力值为退磁过程中使得磁芯的磁感应强度值为零的外加磁场强度值，数值零为退磁过程中磁芯材料的矫顽力值对应的磁芯的磁感应强度值。需要说明的是，不同材质的电感元件的磁芯的饱和磁感应强度值不同，但是同种材质的磁芯的饱和磁感应强度值相同。换言之，磁芯的饱和磁感应强度值由磁芯的材质决定。除此之外，同种材质的磁芯的矫顽力值也是相同的，矫顽力即当磁芯产生的磁感应强度为零时所需的去磁磁场强度；以及，当磁场强度为零时，同种材质的磁芯中剩余磁感应强度也是相同的。

进一步地，S曲线公式为：

在公式(1)中，a、b、c和d均表示定义S曲线的参数，e为自然常数，x表示变量，y表示S曲线随x的变化的输出结果。

根据S曲线的在变量x趋于无穷大时输出结果y向固定值收敛的属性，将磁芯产生的磁感应强度值达到反向饱和时对应的磁场强度值设定为负无穷大，将磁化过程中磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值、和退磁过程中磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值均设定为正无穷大。进一步地，将第一特征点、第二特征点、第三特征点和第四特征点分别代入S曲线，以确定磁化过程对应的S曲线的参数的初始值。采用牛顿迭代法，确定磁化过程对应的S曲线的参数的准确值，以确定磁芯的磁化曲线方程。将第五特征点、第六特征点、第七特征点和第一特征点分别依序代入S曲线，以确定退磁过程对应的S曲线的参数的初始值。采用牛顿迭代法，确定退磁过程对应的S曲线的参数的准确值，以确定磁芯的退磁曲线方程。最终，整合磁化曲线方程和退磁曲线方程，获得磁芯的磁滞回线。

在一些实施方式中，当采用牛顿迭代法确定磁化过程或退磁过程对应的S曲线的参数的准确值时，首先分别将S曲线的各个参数a、b、c和d确定为迭代变量。根据迭代变量，确定牛顿迭代公式，其中牛顿迭代公式表示用于根据迭代变量的前一个值推导出迭代变量的下一个值的公式。牛顿迭代公式可表示为：

P⁽ⁱ⁺¹⁾＝P⁽ⁱ⁾-(F′(P⁽ⁱ⁾))^-1F(P⁽ⁱ⁾)， (2)

在公式(2)中，P为迭代向量，i为自然数，P⁽ⁱ⁾表示变量第i次迭代的结果，F为目标函数，F'为目标函数的雅可比矩阵。

其中，所述目标函数为根据迭代法确定的S曲线的参数反过来计算的S曲线在所述特征点位置的值与测量值的差值，差值越小，根据迭代法确定的S曲线的参数在所述特征点越接近测量的真实值。目标函数可表示为：

在公式(3)中，f_i表示子目标函数，其中i为自然数，具体来说以迭代向量为参数的S曲线在第i个所述特征点位置的值与该特征点所在位置的测量值的差值；v_cal为根据迭代法确定的S曲线的参数反过来计算的S曲线在所述特征点位置的值；v_mea为在所述特征点位置的测量值；q为自然数，表示构造的目标函数在迭代过程中的加速因子；n为子目标函数的个数，或者说为特征点的个数。

目标函数的雅克比矩阵可表示为：

公式(4)中，

表示目标函数F的第l个子目标函数f_l对迭代变量P的第m个变量p_m求偏导，l、m和n均为自然数。

设定目标函数的模值||F(P⁽ⁱ⁾)||的阈值为ε，响应于模值||F(P⁽ⁱ⁾)||小于阈值的情况ε，将模值||F(P⁽ⁱ⁾)||对应的迭代变量的值作为S曲线的参数的准确值。进一步地，将磁化过程中S曲线的参数准确值代入S曲线公式，即可获得磁芯的磁滞回线的磁化曲线方程或退磁曲线方程。当然，若||F(P⁽ⁱ⁾)||大于或等于预设的阈值ε时，以P⁽ⁱ⁺¹⁾为迭代变量的初始值，继续进行迭代运算，直至||F(P⁽ⁱ⁾)||小于预设的阈值ε时，结束磁化过程中S曲线公式的各个参数迭代过程。需要说明的是，模值||F(P⁽ⁱ⁾)||越小，表示越接近迭代目标，所获得的S曲线的参数越准确。

在一些实施方式中，获得了磁滞回线后，根据磁滞回线的方程，直接根据磁芯损耗的定义，通过对磁滞回线进行积分的方法即可确定磁芯的平均功率损耗。

在一些实施方式中，磁芯损耗计算公式为：

在公式(5)中，

为磁芯在单位体积单位时间下的平均功率损耗，f为电流的波形频率，L为沿磁滞回线积分的积分路径，B为磁芯产生的磁感应强度，H为磁场强度。

进一步地，针对图2所示的饱和失真的电流波形，磁芯损耗计算公式还可表示为：

在公式(6)中，H_min为施加的电流达到反向最大时对应的磁场强度，H_max为周期内施加的电流达到饱和失真电流开始时对应的磁场强度，H_3max为周期内施加的电流达到饱和失真电流结束时对应的磁场强度，B₁(H)为当磁场强度H在相应积分区间内变化时退磁曲线对应的磁感应强度，B₂(H)为当磁场强度H在相应积分区间内变化时磁化曲线对应的磁感应强度。

根据本申请一实施方式的针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法，通过采集集成电源电路系统中电感元件的磁芯的多个特征点，进而通过特征点确定用于拟合磁芯磁滞回线的S曲线的参数，以拟合出磁芯的磁滞回线，最终直接根据磁芯损耗的定义，通过对磁滞回线进行积分的方法可获得电感元件的磁芯损耗。基于上述，即可避免现有技术中在直流偏置的情况下，难以准确获得磁芯损耗的问题，为确定电感元件的磁芯损耗提供了便捷且精确的方式。

图5是根据本申请的示例性实施方式的针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定装置的结构示意图。

如图5所示，本申请还提供了这样一种针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定装置，可包括：电流供给模块1、采集模块2、拟合模块3以及损耗确定模块4。电流供给模块1电流供给模块用于向用于集成电路电源系统的电感元件的磁芯中施加具有饱和失真波形的电流，其中电流呈周期性变化。采集模块2用于在电流的作用下，采集磁芯的磁滞回线的多个特征点，其中磁滞回线表示作用于磁芯的磁场强度和磁芯产生的磁感应强度的变化关系。拟合模块3用于根据多个特征点，确定用于拟合磁滞回线的S曲线的参数，以获得磁滞回线的方程。损耗确定模块4用于根据磁滞回线的方程，并基于磁芯损耗的定义，对磁滞回线进行积分，以确定磁芯的平均功率损耗，其中对磁芯损耗计算公式为：

其中，H_min为施加的电流达到反向最大时对应的磁场强度，H_2max为周期内施加的电流达到饱和失真电流开始时对应的磁场强度，H_3max为周期内施加的电流达到饱和失真电流结束时对应的磁场强度，B₁(H)为当磁场强度H在相应积分区间内变化时退磁曲线对应的磁感应强度，B₂(H)为当磁场强度H在相应积分区间内变化时磁化曲线对应的磁感应强度。

在一些实施方式中，在电流的作用下，采集磁芯的磁滞回线的多个特征点，包括：在电流的多个周期内，分别依序采集用于初步表征磁芯的磁滞回线的第一测量点、第二测量点、第三测量点、第四测量点、第五测量点、第六测量点和第七测量点；以及对多个第一测量点、多个第二测量点、多个第三测量点、多个第四测量点、多个第五测量点、多个第六测量点和多个第七测量点分别进行求均值处理，以获得用于稳定表征所述磁芯的磁滞回线的第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点、第五特征点、第六特征点和第七特征点。

在一些实施方式中，特征点为由作用于磁芯的磁场强度值和磁芯产生的磁感应强度值构成的一组具有对应关系的数对；其中，特征点包括：由磁芯产生的磁感应强度值达到反向饱和时对应的磁场强度值，和磁芯的反向磁感应强度饱和值组成的第一特征点；由数值零，和磁化过程中磁芯的剩余磁感应强度值组成的第二特征点；由磁化过程中磁芯的材料的矫顽力值，和数值零组成的第三特征点；由磁化过程中磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值，和磁化过程中磁芯的正向磁感应强度饱和值组成的第四特征点；由退磁过程中磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值，和退磁过程中磁芯的正向磁感应强度饱和值组成的第五特征点；由数值零，和退磁过程中磁芯的剩余磁感应强度值组成的第六特征点；以及由退磁过程中磁芯的材料的矫顽力值，和数值零组成的第七特征点。

在一些实施方式中，拟合模块3的执行步骤包括：根据S曲线的在变量趋于无穷大时输出结果向固定值收敛的属性，将磁芯产生的磁感应强度值达到反向饱和时对应的磁场强度值设定为负无穷大，将磁化过程中磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值、和退磁过程中磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值均设定为正无穷大；将第一特征点、第二特征点、第三特征点和第四特征点分别代入S曲线，以确定磁化过程对应的S曲线的参数的初始值；采用牛顿迭代法，确定磁化过程对应的S曲线的参数的准确值，以确定磁芯的磁化曲线方程；将第五特征点、第六特征点、第七特征点和第一特征点分别依序代入S曲线，以确定退磁过程对应的S曲线的参数的初始值；采用牛顿迭代法，确定退磁过程对应的S曲线的参数的准确值，以确定磁芯的退磁曲线方程；以及整合磁化曲线方程和退磁曲线方程，获得磁芯的磁滞回线。

在一些实施方式中，牛顿迭代法包括：分别将S曲线的各个参数确定为迭代变量；根据迭代变量，确定牛顿迭代公式，其中牛顿迭代公式表示用于根据迭代变量的前一个值推导出迭代变量的下一个值的公式；以及确定迭代变量的目标函数，响应于目标函数的模值小于预设阈值的情况，将模值对应的迭代变量的值作为S曲线的参数的准确值；其中，目标函数表征利用以迭代变量为参数的S曲线获得的特征点位置处的计算值与特征点位置处的测量值之间差值。

根据本申请一实施方式的针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定装置，通过采集集成电源电路系统中电感元件的磁芯的多个特征点，进而通过特征点确定用于拟合磁芯磁滞回线的S曲线的参数，以拟合出磁芯的磁滞回线，最终直接根据磁芯损耗的定义，通过对磁滞回线进行积分的方法可获得电感元件的磁芯损耗。基于上述，即可避免现有技术中在直流偏置的情况下，难以准确获得磁芯损耗的问题，为确定电感元件的磁芯损耗提供了便捷且精确的方式。

如上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法，其特征在于，包括：

向用于集成电路电源系统的电感元件的磁芯中施加具有饱和失真波形的电流，其中所述电流呈周期性变化；

在所述电流的作用下，采集所述磁芯的磁滞回线的多个特征点，其中所述磁滞回线表示作用于所述磁芯的磁场强度和所述磁芯产生的磁感应强度的变化关系；

根据多个所述特征点，确定用于拟合所述磁滞回线的S曲线的参数，以获得所述磁滞回线的方程；以及

根据所述磁滞回线的方程，并基于磁芯损耗的定义，对所述磁滞回线进行积分，以确定所述磁芯的平均功率损耗，其中磁芯损耗计算公式为：

其中，H_min为所述电流达到反向最大时对应的磁场强度，H_2max为周期内所述电流达到饱和失真电流开始时对应的磁场强度，H_3max为周期内所述电流达到饱和失真电流结束时对应的磁场强度，B₁(H)为当磁场强度H在相应积分区间内变化时退磁曲线对应的磁感应强度，B₂(H)为当磁场强度H在相应积分区间内变化时磁化曲线对应的磁感应强度。

2.根据权利要求1所述的针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法，其特征在于，所述在所述电流的作用下，采集所述磁芯的磁滞回线的多个特征点，包括：

在所述电流的多个周期内，分别依序采集用于初步表征磁芯的磁滞回线的第一测量点、第二测量点、第三测量点、第四测量点、第五测量点、第六测量点和第七测量点；以及

对多个所述第一测量点、多个所述第二测量点、多个所述第三测量点、多个所述第四测量点、多个所述第五测量点、多个所述第六测量点和多个所述第七测量点分别进行求均值处理，以获得用于稳定表征所述磁芯的磁滞回线的第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点、第五特征点、第六特征点和第七特征点。

3.根据权利要求2所述的针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法，其特征在于，所述特征点为由作用于所述磁芯的磁场强度值和所述磁芯产生的磁感应强度值构成的一组具有对应关系的数对；其中，所述特征点包括：

由所述磁芯产生的磁感应强度值达到反向饱和时对应的磁场强度值，和所述磁芯的反向磁感应强度饱和值组成的所述第一特征点；

由数值零，和磁化过程中所述磁芯的剩余磁感应强度值组成的所述第二特征点；

由磁化过程中所述磁芯的材料的矫顽力值，和数值零组成的所述第三特征点；

由磁化过程中所述磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值，和磁化过程中所述磁芯的正向磁感应强度饱和值组成的所述第四特征点；

由退磁过程中所述磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值，和退磁过程中所述磁芯的正向磁感应强度饱和值组成的所述第五特征点；

由数值零，和退磁过程中所述磁芯的剩余磁感应强度值组成的所述第六特征点；以及

由退磁过程中所述磁芯的材料的矫顽力值，和数值零组成的所述第七特征点。

4.根据权利要求3所述的针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法，其特征在于，所述根据多个所述特征点，确定用于拟合所述磁滞回线的S曲线的参数，以获得所述磁滞回线的方程，包括：

根据所述S曲线的在变量趋于无穷大时输出结果向固定值收敛的属性，将所述磁芯产生的磁感应强度值达到反向饱和时对应的磁场强度值设定为负无穷大，将磁化过程中所述磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值、和退磁过程中所述磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值均设定为正无穷大；

将所述第一特征点、所述第二特征点、所述第三特征点和所述第四特征点分别代入所述S曲线，以确定磁化过程对应的S曲线的参数的初始值；

采用牛顿迭代法，确定磁化过程对应的所述S曲线的参数的准确值，以确定所述磁芯的磁化曲线方程；

将所述第五特征点、所述第六特征点、所述第七特征点和所述第一特征点分别依序代入所述S曲线，以确定退磁过程对应的所述S曲线的参数的初始值；

采用牛顿迭代法，确定退磁过程对应的所述S曲线的参数的准确值，以确定所述磁芯的退磁曲线方程；以及

整合磁化曲线方程和退磁曲线方程，获得所述磁芯的磁滞回线。

5.根据权利要求4所述的针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定方法，其特征在于，牛顿迭代法包括：

分别将所述S曲线的各个参数确定为迭代变量；

根据所述迭代变量，确定牛顿迭代公式，其中所述牛顿迭代公式表示用于根据所述迭代变量的前一个值推导出迭代变量的下一个值的公式；以及

确定所述迭代变量的目标函数，响应于所述目标函数的模值小于预设阈值的情况，将所述模值对应的所述迭代变量的值作为所述S曲线的参数的准确值；其中，所述目标函数表征利用以所述迭代变量为参数的S曲线获得的所述特征点位置处的计算值与所述特征点位置处的测量值之间差值。

6.一种针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定装置，其特征在于，包括：

电流供给模块，用于向用于集成电路电源系统的电感元件的磁芯中施加具有饱和失真波形的电流，其中所述电流呈周期性变化；

采集模块，用于在所述电流的作用下，采集所述磁芯的磁滞回线的多个特征点，其中所述磁滞回线表示作用于所述磁芯的磁场强度和所述磁芯产生的磁感应强度的变化关系；

拟合模块，用于根据多个所述特征点，确定用于拟合所述磁滞回线的S曲线的参数，以获得所述磁滞回线的方程；以及

损耗确定模块，用于根据所述磁滞回线的方程，并基于磁芯损耗的定义，对所述磁滞回线进行积分，以确定所述磁芯的平均功率损耗，其中磁芯损耗计算公式为：

其中，H_min为所述电流达到反向最大时对应的磁场强度，H_2max为周期内所述电流达到饱和失真电流开始时对应的磁场强度，H_3max为周期内所述电流达到饱和失真电流结束时对应的磁场强度，B₁(H)为当磁场强度H在相应积分区间内变化时退磁曲线对应的磁感应强度，B₂(H)为当磁场强度H在相应积分区间内变化时磁化曲线对应的磁感应强度。

7.根据权利要求6所述的针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定装置，其特征在于，所述在所述电流的作用下，采集所述磁芯的磁滞回线的多个特征点，包括：

在所述电流的多个周期内，分别依序采集用于初步表征磁芯的磁滞回线的第一测量点、第二测量点、第三测量点、第四测量点、第五测量点、第六测量点和第七测量点；以及

对多个所述第一测量点、多个所述第二测量点、多个所述第三测量点、多个所述第四测量点、多个所述第五测量点、多个所述第六测量点和多个所述第七测量点分别进行求均值处理，以获得用于稳定表征所述磁芯的磁滞回线的第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点、第五特征点、第六特征点和第七特征点。

8.根据权利要求7所述的针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定装置，其特征在于，所述特征点为由作用于所述磁芯的磁场强度值和所述磁芯产生的磁感应强度值构成的一组具有对应关系的数对；其中，所述特征点包括：

由所述磁芯产生的磁感应强度值达到反向饱和时对应的磁场强度值，和所述磁芯的反向磁感应强度饱和值组成的所述第一特征点；

由数值零，和磁化过程中所述磁芯的剩余磁感应强度值组成的所述第二特征点；

由磁化过程中所述磁芯的材料的矫顽力值，和数值零组成的所述第三特征点；

由磁化过程中所述磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值，和磁化过程中所述磁芯的正向磁感应强度饱和值组成的所述第四特征点；

由退磁过程中所述磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值，和退磁过程中所述磁芯的正向磁感应强度饱和值组成的所述第五特征点；

由数值零，和退磁过程中所述磁芯的剩余磁感应强度值组成的所述第六特征点；以及

由退磁过程中所述磁芯的材料的矫顽力值，和数值零组成的所述第七特征点。

9.根据权利要求8所述的针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定装置，其特征在于，所述拟合模块的执行步骤包括：

根据所述S曲线的在变量趋于无穷大时输出结果向固定值收敛的属性，将所述磁芯产生的磁感应强度值达到反向饱和时对应的磁场强度值设定为负无穷大，将磁化过程中所述磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值、和退磁过程中所述磁芯产生的磁感应强度值达到正向饱和时对应的磁场强度值均设定为正无穷大；

将所述第一特征点、所述第二特征点、所述第三特征点和所述第四特征点分别代入所述S曲线，以确定磁化过程对应的S曲线的参数的初始值；

采用牛顿迭代法，确定磁化过程对应的所述S曲线的参数的准确值，以确定所述磁芯的磁化曲线方程；

将所述第五特征点、所述第六特征点、所述第七特征点和所述第一特征点分别依序代入所述S曲线，以确定退磁过程对应的所述S曲线的参数的初始值；

采用牛顿迭代法，确定退磁过程对应的所述S曲线的参数的准确值，以确定所述磁芯的退磁曲线方程；以及

整合磁化曲线方程和退磁曲线方程，获得所述磁芯的磁滞回线。

10.根据权利要求9所述的针对集成电路电流饱和失真的磁芯损耗确定装置，其特征在于，牛顿迭代法包括：

分别将所述S曲线的各个参数确定为迭代变量；

根据所述迭代变量，确定牛顿迭代公式，其中所述牛顿迭代公式表示用于根据所述迭代变量的前一个值推导出迭代变量的下一个值的公式；以及

确定所述迭代变量的目标函数，响应于所述目标函数的模值小于预设阈值的情况，将所述模值对应的所述迭代变量的值作为所述S曲线的参数的准确值；其中，所述目标函数表征利用以所述迭代变量为参数的S曲线获得的所述特征点位置处的计算值与所述特征点位置处的测量值之间差值。

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