软磁铁氧体磁心的特性与选用

软磁铁氧体材料常用在高频变压器、电感、脉冲变压器以及PFC升压电感等中，在开关电源中是一种非常重要的元件。但是，我们不能十分有把握地掌握磁性材料的特性，以及这种特性与温度、频率、气隙等的依赖性和不易测量性。在选择铁氧体时，它不像电子元器件那样可以测量，它的具体的参数、特性曲线在显示测量仪器上也不是一目了然。为什么高频变压器、电感器要自己设计呢？因为所涉及的参数太多，例如电压、电流、温度、频率、电感量、变比、漏感、磁性材料参数、铜损、铁损、交流磁场强度、交流磁感应强度、真空磁导率、矫顽力等十几种参量。设计开发人员对高频变压器的设计制作，是开关电源设计制作的头等重要任务。想要生产厂商为用户设计、生产出现成产品是非常困难的。铁氧体受到的影响因素多，元器件选用以及电路板上元器件的布置和走线的方式等对此都有影响。对于铁氧体磁心的颜色、绕组的屏蔽是否合适，散热处理是否得当……设计工程师不可能完全无误地为用户生产出好产品。

总之，即使生产商有现货供应，而且也介绍了磁性元件的特性、参数及使用条件等，用户也无法挑选磁性材料。因此，最好的办法是委托设计加工。在设计高频变压器时，必须正确选择磁心材料的特性、形状以及外形尺寸，若选用不当，就会增加损耗、降低效率，严重时输出功率达不到设计要求，甚至不能工作。

1.磁性元件在开关电源中的作用

磁性元件在电源变换中是必需的器件，广泛用于高频振荡变压器、低通滤波电感、电源输出平波电抗器，还有有源功率因数校正升压电感，所有这些作用功能，对变换器的性能质量起着至关重要的作用。当磁心用于变压器时，它起的作用为：

1）电磁耦合。传递电能，有了磁心，电能传输畅通。

2）实施电气隔离。变压器的一次电压和二次电压是不同电位的电压，有了它，保证变压器在变换电路中的安全，起着高低电压隔离的目的。

3）按使用需要，改变变压器电压比，达到电压升降。

4）由于磁性元件作用，变压器二次大电流整流经过移相，使二次电流输出纹波电压减少。抑制尖峰电压，保护开关管免受冲击电流而损坏，所以常说，磁性变压器有限流作用。

5）开关电源的电子开关，通过充电放电向变压器二次侧不停地传输电能，在这过程中是由于它具有储能，才能释能，储能的大小与磁性元件的饱和磁感应强度以及初始磁导率成正比。另外，由于变压器的一次和二次侧存在电感，很方便地与电路电容构成谐振，谐振波一方面传递电能，改变电流或电压的方向，向负载输出，另一方面也改变电压的等级。所有这些，都是磁性元件在变换过程中所起的作用。但是磁性元件的工况性能是不易完全掌握的，它不像其他电子元器件那样容易测量选择，繁琐的技术数据，分散性、易变性很大的参数，将使制造商挑选者无从下手。因此，只能通过生产实验、科学设计，才能发挥磁性元件最大作用功能。

2.磁性材料的基本特征

前面已叙述，各种磁心材料结构外形虽然相似，但磁心的性能、特性参数却相差甚远。开关电源变压器磁心都是运行在低磁场、高频率环境条件下的软磁铁氧体材料，这种磁性材料具有矫顽力低、电阻率高和磁导率高的基本特点。这就意味着，流过变压器绕组的励磁电流会产生较高的磁感应强度，因此，在一定输出功率条件下，可以极大地降低磁心的体积。矫顽力低，磁心的磁滞回环面积就小，这样铁损低。同样，电阻率高、涡流小，铁损也低。但磁性材料的电阻率高，适合用在频率高的航空航天领域里。

1）磁场强度H与磁感应强度B。磁场强度是表示磁场强弱与方向的一个物理量，其单位为安/米（A/m）。磁感应强度是表示磁场作用于磁性物质上的作用力的大小，其单位为特（T）。温度越高，磁感应强度越低。

2）饱和磁感应强度B_s。磁心在磁场的作用下，当磁场强度H增加时，磁心出现饱和时的B值，称为饱和磁感应强度B_s。

3）初始磁导率μ_i。磁性材料在磁化曲线上的始端磁化率的最大值，即

式中，μ_o表示磁性材料的真空磁导率（μ_o=4π×10^-7H/m）。

4）有效磁导率μ_e。磁心在闭合磁路中（不计漏磁），磁心的导磁能力称为有效磁导率。即

式中，L为绕组的电感量（mH）；为磁路长度与磁心面积之比，是常数。

5）居里温度T_c。磁心的磁状态由铁磁性转为顺磁性（见图1-26）时，在μ-T曲线上，磁导率最大值的80%与最大值的20%的连线跟磁导率等于1的直线的交点相对应的温度称为居里温度。温度越高，初始磁导率也越高，当超过130℃时，初始磁导率为零，如图1-27a所示。

图1-26 居里温度T_c的定义图

磁心在高频作用下，会产生剩磁，剩磁是产生热磁心的最大原因，热磁是磁心铁损发源地。该磁心这时的工作磁感应强度应为

式中，f为磁心的工作频率（kHz）；A_e为磁心有效截面积（mm²）；V_s为绕组两端电压（V）；N为绕组匝数。

图1-27 磁性材料的特性

6）矫顽力H_c。磁心从饱和状态除去磁场后继续反向磁化，直到磁感应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力（保磁力）。

7）磁通Φ。磁感应强度与垂直于磁场方向的面积的乘积叫磁通，Φ=BS。(www.xing528.com)

8）磁感应强度B_s。单位面积上所通过磁通的大小叫做磁感应强度（也称为磁通密度），单位为特（T）。

饱和磁性材料具有良好的开关特性，如用在高频振荡电路里，可以产生优良的振荡波形，这种磁性材料具有近似矩形的磁滞回线（见图1-27b）。这种磁滞回线有明显的饱和点和饱和段，而且它的上下有良好的对称性。近似矩形的磁滞回线在执行脉冲电信号传递时，可使绕组中的电流脉冲波形的前沿陡峭，后沿拖尾短小，能完整地传递各种波形电信号。如果磁心的S矩形曲线在B方向向下被压扁或是向上被拉伸，这种形变曲线的磁心用在开关电源高频变压器上或是用在电子镇流器的脉冲变压器上，将会严重影响变压器的振荡波形，产生信号失真、频率失调、导致开关晶体振荡管温度上升，变压器的铁损和铜损加剧，这对于开关电源的质量极为不利。

矩形磁滞回线是饱和磁性材料一种特殊的曲线。磁滞回线的形状非常重要，在选用磁心时，将被看作是一项重要选用磁心的依据，只有用高频铁氧体磁心特性曲线测试仪方可测出。

3.磁心的结构及选用原则

磁心的结构种类繁多、形状各异。铁氧体磁心是开关电源用得比较多的一种材料。图1-28是铁氧体磁心的结构形状。下面对一些主要磁心结构加以说明。

图1-28 铁氧体磁心的结构形状

1）POT是罐形磁心，铜线绕在变压器磁心内，外面由磁铁包围。它的最大优点是导磁感应好，传递电能佳，可大量降低电磁干扰（EMI）；缺点是散热效果极差，温升很高。这种磁心只能用在小功率开关电源上。

2）PM磁心，也叫R形磁心，它结构紧凑、体积小，但电能耦合不是很好，散热性能也不很好，适合用在小功率电源充电器上。

3）RM磁心和X磁心，磁耦合能力和散热性能都比较好，适合用在150W以上的大中功率开关电源上。其缺点是所占空间大，放置比较困难。

4）EC磁心是开关电源常用的一种磁心，磁心的截面积大，散热效果好，常用在150～200W的开关电源上。其缺点是窗口面积比较小，对变压器的匝数要有限制。

5）EE磁心是一种最常用普通的磁心，对于中小功率变压器来说很适合，磁心截面积的大小在很大程度上决定开关电源的功率。磁心的截面积与输出功率成正比例，磁心截面积越大，输出功率也越大。表1-4是输出功率与EE磁心尺寸对照表，仅供选用时参考。

变压器磁心大小取决于输出功率、变压器温升以及工作频率、磁心材料等参量，现将计算公式推出如下：

式中，K为振荡波系数，一般为0.12～0.16；f为工作频率（kHz）；n_P为变压器一次绕组匝数（匝）；I_o为输出电流（A）；A_e为磁心窗口截面积（mm²）；B为磁心的磁感应强度（T），B=2000～3500T。

式中的B是由软磁铁生产厂商给出的，其余由设计工程师根据实际和工作经验给出的。高的电感量可以得到大的输出功率、较小的变压器体积。低铁损、铜损，大大降低温升。对于反激式开关电源的变压器，要考虑变压器绕组储存电能能力。其储存电能能力的大小决定于铁氧体磁心材料的磁感应强度B_m或变压器一次电感量L_P，另一个因数是磁场强度或工作电流。储存电能的计算公式是W_D=L_PI²/2，设计变压器时，根据经验，它的绕组匝数按N/V=55进行计算。

选用磁性材料时，要选用饱和的磁性材料。这种材料具有良好的开关特性，可以产生优良的振荡波形，还要求磁心具有近似矩形的磁滞回线，如图1-27b所示。磁性材料的磁滞回线有明显的饱和点和饱和段，而且有良好的对称性。近似矩形的磁滞回线可使绕组中的电流波形前后沿陡峭，能很好地传递各种波形电信号。如果磁心的S矩形曲线在B方向上向下被压扁，将会严重影响变压器的振荡波形，导致开关晶体管温升加剧。

表1-4 输出功率与EE磁心尺寸的关系

磁性材料的使用一定要在一定的居里温度以内，这是首先要考虑的问题，其次是注意磁心的结构、脆度、硬度、稳定性、磁导率及磁感应强度。在设计时，对工作频率和噪声干扰应十分注意。在强磁场强度的作用下，磁性材料会收缩或膨胀，很可能会出现磁共振，所以磁心变压器装在印制电路板上时，要注意切实粘结牢固，防止出现机械噪声和电磁噪声。归纳起来：

1）选用较低的矫顽力（保磁性）。这是因为矫顽力低，磁滞回环面积小，铁损低。

2）选用较高的电阻率。在一定的工作频率下，磁性材料的涡流损耗与电阻率成反比。为降低磁性元件的损耗，选用磁性材料电阻率在100～800Ω·cm之间。

3）居里温度应足够高。如果磁心材料的居里温度偏低，必然使磁心的温升接近居里温度，这样促使初始磁导率μ_i太低，饱和磁感应强度B_s和电感值急剧下降，使电源的功率开关管温度急剧上升，破坏振荡频率，以致电源无法正常工作。为确保开关电源内部温度远低于磁心的居里温度，宜选用居里温度T_e＞180℃的磁心元件。

4）适中的初始磁导率μ_i。初始磁导率的选取，必须满足居里温度的要求。一般来说，磁导率在4000H/m以上的材料和磁导率低于3000H/m的材料的居里温度一般可达180℃以上。因此，选用μ_i为2000～3000H/m的磁心用作电源变压器和滤波用的电感元件是比较合适的。当然，磁性材料的初始磁导率适当高一些，可以减少变压器绕组的匝数，从而有利于减小分布电容和漏感，达到改善驱动波形。

5）合适的温度系数。有些磁性材料温度在80℃时，呈现负值，即温度升高，铁损反而降低，这种材料对大功率开关电源是非常好的。一般开关推动管的电流增益h_FE随温度升高而增大，若选用具有负温度系数的磁性材料，则抵消了晶体管的h_FE的正温度系数，使开关管工作点保持稳定。

6）恰当的磁感应强度。磁感应强度选高了，将使变压器很快进入饱和，导致变压器温度快速升高而发生烧毁；磁感应强度选低了，使变压器缺少足够的驱动功能，输出功率达不到设计要求。合适的磁感应强度一般在B_s=0.046～0.055T。