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2023-06-28
磁心结构及选用原则详解
【摘要】：磁心的结构种类繁多、形状各异。图2-9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。表2-3是输入功率与EE磁心尺寸对照表，仅供选用时参考。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。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Te>180℃的磁心元件。初始磁导率的选取，必须满足居里温度的要求。
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2-9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。
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。
图2-9 铁氧体磁心的结构形状
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2-3是输入功率与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入功率、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）；nP为变压器一次绕组匝数（匝）；Io为输出电流（A）；Ae为磁心窗口截面积（mm2）；B为磁心的磁感应强度（T），B=2000～3500T。
表2-3 输入功率与EE磁心尺寸的关系
式中的B是由软磁铁生产厂商给出的，其余是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，要考虑变压器绕组存储电能能力。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Bm或变压器一次电感量LP，另一个因数是磁场强度或工作电流。存储电能的计算公式是WD=LPI2/2。
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2-8b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。
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，要注意切实黏接牢固，防止出现机械噪声和电磁噪声。归纳起来如下：
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μi太低，饱和磁感应强度Bs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Te>180℃的磁心元件。
4）适中的初始磁导率μi。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μi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hFE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hFE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Bs=0.046～0.055T。
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