磁芯磁性能

各种磁芯材质表面虽相似，但磁性能可能有极大差别。开关电源高频变压器磁芯多是低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能有较高的磁感应强度，线圈就能承受较高的外加电压，因此在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞回环面积小，则铁耗也小。高的电阻率，则涡流小，铁耗小。金属软磁材料在开关电源中用得较少，只是如铁镍合金、铁铝合金薄片的铁芯基本合适。有一种软磁材料是铁氧体，铁氧体是复合氧化物烧结体，电阻率很高，适合高频下使用，但Bs值比金属软磁材料小得多，较普遍使用在开关电源中。在设计时必须从选择合适的磁芯材料开始。各种铁芯材料之特性比较如下表所示。

磁芯结构

基本结构有：①叠片，通常由硅钢或镍钢薄片冲剪成E、I、F、O等形状，叠成一个铁芯；②环形铁芯(toroid)，由O型薄片叠成，也可由窄长的硅钢、合金钢带卷绕而成，此形铁芯，绕线困难；③C形铁芯，此种铁芯可免去环形铁芯绕线困难的缺点，由二个C型铁芯对接而成。因此，可用机械绕线，线圈也可填满整个窗口；④罐形(POT)铁芯，它是磁芯在外，铜线圈在里，免去环形线圈绕线不便的一种结构形式，可以减少EMI。缺点是内部线圈散热不良，温升较高，因此只在小功率变换器中使用。

如果把罐形铁芯外园切掉一部分，则变成通风良好，从而解决温升过高的问题。从改善通风出发因而有图5-5所示的各种磁芯形式。

高频变压器设计方法

设计变压器时，应当预先知道电路拓扑、工作频率、输入和输出电压、输出功率或输出电流以及环境条件。同时还应当知道所设计的变压器允许多大损耗。总是以满足最坏情况设计变压器，保证设计的变压器在规定的任何情况下都能满意工作。

变压器的设计主要就是指变压器磁芯选择（形状、磁芯截面、窗口截面）和绕组设计（匝比、匝数、导线截面积等）

匝数和匝比选取

初级一般电压较高，调整初级匝数和匝比不困难。次级一般匝数较少，工作频率越高，次级有可能只有一匝，甚至少于一匝，如果取整，带来很大匝比误差，同时引起相关问题。

在输出电压比较低时，例如5V，甚至1V左右，限制了匝数和匝比的选择。5V输出次级可能是1匝或2匝，每个线圈阶差1或2匝。计算结果1.5匝，取整可能选择2匝，为保持原来的匝比，所有线圈匝数增加25％。相同尺寸的磁芯和窗口，要在原来的窗口中绕不下总线圈。如加大了电流密度，大大增加了线圈损耗。反之，选择1匝，但磁芯中的磁通密度增加1/3，磁芯损耗可能增加一倍。

虽然没有通用的快速的选择每个线圈最优匝数的方法，但有一般规律可循。首先，决定额定UiD时达到希望输出电压的线圈之间的理想匝比。接着，在选择某磁芯尺寸后，求得匝比和匝数，但不是实际需要的整数。在取整数匝前最好折衷处理，试试几个可能。从最低电压次级开始，因为小的数字整数化百分比最大。特别是如果低输出电压的次级输出最大负载功率，而主控制回路调节的也是低压输出，最低电压次级匝数上升或下降对整个线圈影响最大。匝数下降将增加磁芯损耗，上升将增加线圈损耗。如果增加的损耗太大，必须重新选择磁芯，以便仅需要很少变动就可调整到整数匝。

高频变压器磁芯选择

（1）磁芯材料

功率铁氧体，高频下材料具有很高电阻率，因而涡流损耗低、价格低是高频变压器磁芯首选材料。但磁导率通常较低，磁化电流因此较大，有时需用缓冲和箝位电路处理。 对于合金材料磁芯，如钴基非晶合金和微晶合金，这些材料具有较高的电阻率，通常轧成很薄的带料，可以用在较高频率。一般合金材料虽然饱和磁通密度比铁氧体材料大得多，这通常是无关紧要的，因为磁通密度摆幅严重受涡流损耗限制。同时价格因素也影响材料的选择。在高温和冲击、振动大的地方，需采用合金材料磁芯外，一般变压器磁芯最好选择铁氧体。

（2）磁芯形状

磁芯窗口应尽可能宽。加大线圈宽度可减少线圈的层数。使交流电阻Rac和漏感减少。还有，固定的爬电尺寸对宽窗口影响较小。宽窗口需要线圈高度低，因此更好利用线圈窗口面积。铁氧体磁芯有罐型(国产GU型，国际P型)、PM、RM、PQ、EE、EC、EP、ETD、RC、UU和UI各种型号，以及新近发展的平面磁芯，如EFD,EPC,LP型等磁芯。 罐型和PQ型磁芯具有较小的窗口面积，窗口形状几乎是正方的。罐(P)型和PQ型磁芯比EE磁芯有较好的磁屏蔽的优点，减少了EMI的传播，用于EMC要求严格的地方。爬电尺寸耗费了窗口面积的大部分，窗口宽度远不是最佳，只用于125W以下低功率场合。大功率应用散热困难。缺点是引出线缺口小，大电流出线困难。也不适宜多路输出，输出出线太多。也不宜高压应用，因为出线的安全绝缘处理困难。

EE，EC，ETD，LP磁芯都是E型磁芯。相对于外形尺寸来说有较大的窗口面积，同时窗口宽而高度低的结构，漏磁及线圈层数少，高频交流电阻小。开放式的窗口没有出线问题，线圈与外界空气接触面大，有利于空气流通，散热方便，可处理大功率。但电磁干扰较大。 EC，ETD磁芯的中柱圆形截面与EE型相同矩形截面积时，圆形截面每匝线圈比矩形短大约11％，即电阻少11％，线圈损耗和温升也相应降低。但是EE型磁芯尺寸齐全，根据不同的工作频率和磁通摆幅，传输功率范围从5W到高达5kW。如果将两副EE型磁芯合并作为一体使用，传输功率甚至可达10kW。两副磁芯合并使用时，磁芯面积加倍，如磁通摆幅和频率保持不变，匝数减少一半，功率加倍比应用下一个大尺寸的磁芯体积要小。

(3) 磁芯尺寸选择

磁芯尺寸的选择最常用的有三种方法，第一种是先求出磁芯窗口面积Aw与磁芯有效截面积Ae的乘积AP(AP＝Aw×Ae，称磁芯面积乘积)。根据AP值，查表找出所需磁性材料之编号，谓之AP法；第二种是先求出几何参数，查表找出磁芯编号，再进行设计，称为Kg法；第三种是直接根据电路拓扑、输出功率、开关频率、磁芯材料和形状查表得出磁芯型号，为查表法。这里我们主要介绍AP法。

AP法经验公式：

其中 Po 输出功率(W)； ΔB 磁通密度变化量(T)； fS 变压器工作频率(Hz)； K 0.014（正激变换器，推挽中心抽头） 0.017（全桥，半桥）。公式是基于线圈电流密度420A/cm2，并假定窗口充填系数是40％。

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