常用磁性材料的基本知識

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，電子器件的集成度越來越高，各種電子標(biāo)準(zhǔn)器件也越來越完善，各大芯片廠商給出的配套電路設(shè)計方案也越來越詳細，使得硬件工程師們設(shè)計的電路越來越簡單，所以硬件工程師的門檻也越來越低，自然地薪酬也越來越低。

但是，對于電源必不可少的磁性器件，卻很難被標(biāo)準(zhǔn)化，因為市場需求的電源各式各樣，輸入電壓電流、輸出電壓電流、高矮長短不盡相同，而現(xiàn)在的電源追求高功率密度，不可能用大變壓器、電感用在小功率產(chǎn)品上，磁性器件生產(chǎn)廠家也不可能做出所有類型的磁性器件放到市場上去。所以這必須由工程師設(shè)計好，然后由磁性器件生產(chǎn)廠家生產(chǎn)。有大學(xué)教授預(yù)言未來電源硬件工程師的價值就更多地體現(xiàn)在磁性器件的設(shè)計能力。

一、常用磁性材料的基本知識

就當(dāng)前的技術(shù)而言，每一個開關(guān)電源中必然會有磁性器件，它對電源的體積、效率等有重要影響。磁性材料有很多種類，特性各異，不同的應(yīng)用場合有不同的選擇。以下整理了幾種常用的磁性材料。

表1.1 幾種常用的磁性材料特性

（有些參數(shù)沒有找到具體數(shù)值，知道的朋友在評論區(qū)告知一下哈?。?/p>

低碳鋼：由于電阻率很低，導(dǎo)致其在高頻時渦流很大，損耗大，發(fā)熱厲害，所以只能用于低頻場合，例如用于制作無源PFC的電感；

鐵氧體：鐵氧體的種類很多，由于錳-鋅鐵氧體價格較為便宜，并且磁導(dǎo)率可選范圍大，渦流損耗較小，所以在幾十kHz到幾百kHz的頻率范圍內(nèi)被用得最為廣泛。磁導(dǎo)率在2k-4k的在變壓器中運用廣泛，磁導(dǎo)率>10k的多用于共模電感。

鉬坡莫合金、高磁通：具有高飽和磁感應(yīng)強度、直流疊加特性，溫度穩(wěn)定性良好，損耗很低，但價格昂貴，多用于不計成本的航空和軍工產(chǎn)品。

鐵硅鋁：具有良好的高頻磁特性，較好的溫度穩(wěn)定性，寬恒導(dǎo)磁率及低損耗、低成本，在輸出電感、APFC電感得到廣泛運用。

鐵粉芯：具有高飽和磁感應(yīng)強度，磁導(dǎo)率相對較小，能存儲較大的能量，但具有較大磁滯回路面積，因此鐵粉芯不適用于不連續(xù)電流的電感器或具有大交流磁通擺動的變壓器中。

二、磁芯材料的參數(shù)特點

以上只是簡單地介紹了三大類的磁性材料（鉬坡莫合金、高磁通、鐵硅鋁和鐵粉芯均屬于粉末磁芯），大類下可以細分為很多種磁性材料，無法一一介紹。這里以最常用的TDK的Mn-Zn鐵氧體材料為例介紹一下磁芯材料需要注意的參數(shù)特點。

在TDK品牌中Mn-Zn系列鐵氧體中包括PC33，PC40，PC44，PC45，PC46，PC47，PC50，PC90，PC95等等多種材質(zhì)。這些不同材質(zhì)的鐵氧體有不同的特性參數(shù)，如初始磁導(dǎo)率、磁芯損耗、溫度特性等等。

種類太多了，下面主要以PC40、PC44、PC47為例進行介紹。

圖Bs-T展示了PC40、PC44、PC47的飽和磁感應(yīng)強度和剩余磁感應(yīng)強度跟溫度關(guān)系，可以看到磁感應(yīng)強度PC47>PC44>PC40，并且它們的飽和磁感應(yīng)強度和剩余磁感應(yīng)強度都隨溫度的升高而降低，所以設(shè)計變壓器和電感時應(yīng)取高溫下的飽和磁感應(yīng)強度的80%-90%作為設(shè)計參數(shù)。

圖Bs-T

圖CLP-T展示磁芯損耗與溫度（和頻率）的關(guān)系，可以看到溫度為100℃左右這三種鐵氧體的損耗最小，所以作為工程師，我們設(shè)計電源時，并不能認為使變壓器的磁芯溫度越小越好，控制溫度在該材質(zhì)的損耗最小的溫度處，可以使電源效率提高。

左圖為100kHz頻率下的損耗，右圖為200kHz頻率下的損耗，可以看到頻率只是提高了1倍，但損耗卻提高了將近10倍！?。C40與PC47在100℃處的損耗差值由170kW/m3變?yōu)?300kW/m3，所以提高頻率對磁芯材質(zhì)的要求很高。

圖CLP-T

但需要注意的是，并不是所有材質(zhì)的鐵氧體磁芯都是在溫度100℃時損耗最小，如下圖所示，PC46材質(zhì)在46℃、PC45在80℃損耗最小。

通過鐵氧體的磁感應(yīng)強度的大小也跟損耗有關(guān)，通過的磁感應(yīng)強度越大，磁芯損耗也就越大。

不同材質(zhì)的鐵氧體磁導(dǎo)率也不同，圖ui-f展示了初始磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)系。在頻率大于1000kHz后初始磁導(dǎo)率轉(zhuǎn)折降低。設(shè)計超高頻變壓器、電感時需要特別注意選擇磁芯材質(zhì)的頻率特性。

圖ui-f

溫度對磁導(dǎo)率的影響也很大，鐵氧體材料一般在200多℃磁導(dǎo)率就會急速降低為零，該溫度稱為居里溫度。這個在設(shè)計時需要特別注意，有些磁芯材料居里溫度只有130℃左右，如HS10。

圖ui-T

HS10--圖ui-T

三、繞制線圈工藝對磁性器件性能的影響

影響磁性器件性能的因素除了磁芯材質(zhì)外，與磁性器件的線圈繞制工藝也有很大關(guān)系。例如共模電感，很多時候，共模電感的感量越大，對EMI的抑制效果越好，所以為了獲得更大的感量，我們會盡量地繞制更多的匝數(shù)，但有時往往會獲得更差的EMI效果。

這是由于導(dǎo)線匝與匝之間的寄生電容引起的，寄生電容與電感形成諧振電路引起EMI變差。

圖3.1 電感上的寄生電容示意圖

圖3.2 繞線方式導(dǎo)致寄生電容增大

使用金屬箔做磁芯器件的繞線，由于導(dǎo)線面積的加寬，增大了匝間的寄生電容。

圖3.3 金屬箔匝間電容

變壓器原邊和副邊的繞線方式對變壓器的性能也有很大影響，下圖中，變壓器右邊的折線圖表示在變壓器不同位置的線圈產(chǎn)生的磁動勢（mmf），磁動勢越大，“鄰近效應(yīng)”產(chǎn)生渦流損耗越大。此外，變壓器還有一個很重要的參數(shù)——漏感，這參數(shù)對不同的電源拓撲會產(chǎn)生不同影響。采用線圈并繞方式，可以減小變壓器的漏感。

圖3.4 一、二次側(cè)繞組結(jié)構(gòu)不同的變壓器