磁芯选择

开关电源变压器磁设计系列（一）

电路拓扑选定后，就需要确定电路的工作频率和变压器的磁芯尺寸，确保变压器在体积最小的情况下获得所需的最大输出功率。

要确定频率和变压器磁芯尺寸，首先要得出输出功率与变压器各参数（磁芯截面积，磁心窗口面积，骨架面积，峰值磁通密度，变压器工作频率及线圈电流密度等）间的数量关系。

通常根据公式来选择变压器磁芯和工作频率的时候，先假设变压器磁芯和工作频率，然后根据假定的数值和其他的一些参数来换算出变压器功率。如果功率不符合要求，那么就需要更改先前的假设，重复以上的过程。

1. 变压器磁心材料，几何结构

a. 开关电源基本选用的是铁氧体磁心，它是一种陶瓷性的铁磁材料，由氧化铁和其他的锰，锌氧化物混合构成的晶体。其电阻率很高，故铁氧体的涡流损耗很低。如果所用材料损耗只源于磁滞损耗，则这种数值很小的损耗不会影响该材料使用在1MHz以上的场合。

不同氧化物，不同加工方式形成的磁芯，具有各自的优点。有的在高频（大于100KHz）铁损最小；有的高温（如90℃）下铁损最小；有的可以使在常用的高频和峰值磁通密度下铁损最小。

但是大多数的功率变压器的铁氧体的直流磁滞回线特性都是相似的。温度为100℃时，它们都在3000G---3200G范围内达到10％的饱和，具有0.10---0.15Oe的矫顽力，剩余磁通密度都为900---1200G。

选择磁芯材料时，主要考虑的是铁损随频率和峰值磁通密度变化的曲线。 相同的峰值磁通密度下，单极性电路的铁损是双极性电路铁损的一半。这个结论仍有争议，但是已经被广泛的接收了。

b. 磁芯的几何形状主要有罐状或杯状，RM形，EE形，PQ形，UU或UI形。 不同形状的磁芯，各有其特点，分别说明如下：

罐状：由于其结构上是骨架中心柱上的线圈几乎完全被铁氧体材料包围，所以有效的减小了磁场的辐射，对于EMI—RFI要求严格的场合非常适合。

其出线槽比较窄，因此不适合于输入/输出电流较大（绕线尺寸较大）的变换器中，也不适合与多路输出电源。

通常用于低功率等级，不超过125W。

电源电压高的情况下也不适合用罐状磁芯，因为它出线槽窄，带有高压的线头可能会产生电弧。

如果要求磁芯设置气隙的话，从性能方面看，采用中心柱上带有气隙的磁芯比用合适厚度的塑料薄片隔离来形成气隙的磁芯更经济，实惠。因为加薄片的磁芯不能根据时间，温度以及产品的离散度来产生可变的Al值，而且在中心柱外侧加薄片会加剧EMI方面的问题。

EE形：应用最为广泛的一种。其结构决定了会产生较大的EMI—RFI问题。但同时也决定了其散热好，绕制受限小等特点。

分方形中心柱和圆形中心柱两种。圆形中心柱在中心柱面积与方形中心柱面积相同的情况下，每匝线圈的平均长度比方形的短11％，因此如果线圈匝数一样的话，其阻抗也少11％，铜损和温升也就会少一些。

另外两个方形中心柱的EE形磁芯可以并联，使磁芯截面积加倍，在初级电压，峰值磁感应强度及频率固定的前提下，线圈匝数将会减少一半。会

使输出功率加倍，减小变压器。

RM形： 介于罐状和EE形之间。

比罐状更有效，可以输出大功率和多路输出，散热也好。

比EE形来说，其被铁氧体材料包围的线圈面积大，所以EMI—RFI问题要小。

PQ形： 这种形状的磁芯体积与辐射表面积以及线圈的绕组面积之间的比例使最佳的。由于铁损和磁芯面积成正比，而散热能力与辐射表面面积成正比，所以对于给定的输出功率来说，这种形状磁芯的温升最小。而且由于体积与绕组面积的比例最佳，所以对于相同的输出功率，其变压器体积最小。

LP形： 专为剖面很小的变压器设计，中心柱很长，减小了漏感。 UU或UI形： 主要用于高压或者超大功率变换器，低于1KW的场合很少考虑。其窗口面积很大，但是磁路很长，初/次级耦合程度不如EE形磁芯，磁芯变压器的漏抗很大。

未完待续

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