电子器件基础提纲.

1、 从实用的磁学观点看，物质可分为抗磁性抗磁性、顺磁性顺磁性、反铁磁性反铁磁性、铁磁性铁磁性和亚铁磁性亚铁磁性五类材料。 其中前三种材料|x|0，因此一般不能算作磁性材料，而铁磁性材料|x|可达101106 量级，一般为Fe、Co、Ni及一些稀土金属磁性材料。亚铁磁性材料|x|可达101104 量级，一般为铁氧体材料（磁性陶瓷材料）。具有铁磁性和亚铁磁性的材料才能算真正的磁性材料。磁性材料分类磁性材料分类常用磁性材料常用磁性材料软磁软磁硬磁硬磁金属软磁：金属软磁：包括硅钢片、坡莫合金等，特点是磁导率和包括硅钢片、坡莫合金等，特点是磁导率和BsBs大大， 居里温度高，电阻率小。居里温度高，电阻率小

2、。非晶非晶/ /纳米晶软磁：纳米晶软磁：包括包括CoCo基基/Fe/Fe基非晶基非晶/ /纳米晶材料，特点是纳米晶材料，特点是 磁导率和磁导率和BsBs大，居里温度高，电阻率较小，但价大，居里温度高，电阻率较小，但价 格昂贵。格昂贵。铁氧体软磁铁氧体软磁：主要包括尖晶石系和六角晶系铁氧体，特点是磁主要包括尖晶石系和六角晶系铁氧体，特点是磁 导率和导率和BsBs不太高，居里温度较低，但电阻率高，不太高，居里温度较低，但电阻率高， 价格较低，特别适合中高频使用。价格较低，特别适合中高频使用。铁粉芯软磁：铁粉芯软磁：将金属软磁与有机介质复合，具有将金属软磁与有机介质复合，具有BsBs大，电阻率大，电

3、阻率 高，不易饱和等特点，但磁导率不高，特别适合高，不易饱和等特点，但磁导率不高，特别适合 于差模扼流圈。于差模扼流圈。稀土合金硬磁：稀土合金硬磁：包括烧结稀土硬磁和粘结稀土硬磁。包括烧结稀土硬磁和粘结稀土硬磁。铁氧体硬磁：铁氧体硬磁：主要为六角晶系主要为六角晶系BaBa铁氧体。铁氧体。铁氧体旋磁：铁氧体旋磁：主要包括尖晶石系、石榴石系和六角晶系旋磁。主要包括尖晶石系、石榴石系和六角晶系旋磁。 旋磁旋磁矩磁、压磁矩磁、压磁起始磁导率：如果材料从退磁状态开始，受到对称的交变磁场的反复磁化，当这种交流磁场趋近于零时所得到磁导率。振幅磁导率：如果交变磁场的振幅较大，振幅B比上振幅H所得到的磁导率。增

4、量磁导率：有偏置磁场作用时的磁导率。有效磁导率：磁芯开气隙时的磁导率。HBHi00lim1HBa01三、磁性材料的磁导率三、磁性材料的磁导率1.2 磁性材料的线性特性一般在外磁场H很小时，B与H保持线性关系，此时磁导率为起始磁导率。一、影响起始磁导率一、影响起始磁导率i i 的因素的因素对i 贡献包括畴壁的可逆位移和磁畴矢量的可逆转动。二、提高起始磁导率的途径二、提高起始磁导率的途径 提高材料的饱和磁化强度 降低磁晶各向异性常数和磁滞伸缩系数 减少杂质和内应力3/212023ssiKDM 改善微观结构1、晶粒大，均匀；没有气孔、杂质及其它缺陷；2、在晶粒内部不出现另相，所有非磁性析出物或气孔只

5、能集中在晶界附近；3、晶粒内部有良好的化学均匀性；三、环境温度、工作时间及应力影响三、环境温度、工作时间及应力影响前两者分别用温度系数和减落系数来衡量，希望其值越小越好。而应力主要通过引起磁至伸缩系数使i 改变，一般也希望应力越小越好。铁氧体磁导率随温度的变化示意图 静态磁化静态磁化由于不需要考虑磁化的时间问题，在一定大小的外磁场H作用下，铁磁体内便产生相应大小的磁感应强度B或磁化强度M，所以本征静态磁特性磁导率为实数，实数，损耗只有磁滞损耗磁滞损耗。磁滞回线1.5 磁性材料的损耗在交变磁场下，铁磁体内的B和H均随时间而变化，它们之间不仅有振幅的大小关系，还有相位关系，因此须采用复数磁导率来同

6、时反映两者振幅和相位的关系。即而用来代表交变场下磁芯的损耗，此值与磁导率有关因此，用比损耗系数 来反映材料相对损耗的大小。ssjssmtgmtg在静态磁化时，损耗只有磁滞损耗，磁滞回线称为静态磁滞回线，单位体积的材料每磁化一周的磁损耗等于磁滞回线的面积。在交流情况下，损耗不仅有磁滞损耗，还有涡流损耗与剩余损耗，此时的磁滞回线称为动态磁滞回线。由于在交流情况下，磁芯的磁滞损耗高于相应的静态情况下的磁滞损耗，因此动态磁滞回线面积大于相应的静态磁滞回线，且其形状和大小也随交变磁场的大小和频率的变化而变化。磁滞损耗磁滞损耗可通过降低材料剩磁Br和矫顽力Hc来降低。涡流损耗涡流损耗可通过提高材料电阻率及

7、减小片状材料厚度d来降低。剩余损耗剩余损耗可通过减小扩散离子浓度，抑制离子扩散的产生来降低，对于铁氧体材料而言，则是尽量减小铁氧体中Fe2 含量或生成；在工艺和成分配制上进行控制，使铁氧体在应用频率和工作温度范围内避开损耗最大值。 串并联等效模式：串并联等效模式：对于一般磁性材料制作的磁芯线圈，分布电容往往可以忽略，而等效电阻又比等效电抗小得多，所以串联电路的模式更符合于客观情况；而对于在高频下使用的某些特殊的磁芯和变压器，分布电容已不能忽略，这时采用并联电路模式更符合实际情况。一些电磁参数的相互转化：对于一绕组匝数为N，有效长度为le ，有效截面为Ae 的环形磁芯，有以下公式满足：eHlNI

8、 eBAeeelANIHANINL200电感UANBdtdBNAdtdNee2elNIjHjHB)()(000同时，在交变电流下 tjmeIIIjeIjdtdItim.IjljANdtdIlNjNAdtdBNAdtdNeeeeee1)()(020一、从材料的磁性参数转换成器件的电气参数一、从材料的磁性参数转换成器件的电气参数（学会各参数之间的转化和计算）定义磁势：定义磁阻：定义磁导：HlNIFFReeelANLLNNNIFRG021INL第二章 磁芯与绕组2.1 磁芯的等效参数对于环形磁芯来说，从内向外，半径r逐渐增大，因此磁场H逐渐减小。一、磁芯的有效尺寸一、磁芯的有效尺寸把一个实际的磁芯等

9、效成一个具有有效面积为Ae ，有效长度为le ，均匀磁化的理想磁芯（即该磁芯上各点的H相同）rNIlNIH2对于实际磁芯，通过截面为dA的磁通d为：所以，通过截面为A的总磁通量为：根据彼德生关系可得dAlNIHdAd00ldANI0Haa1110211100ldANIaldAaNI而相应的理想磁芯的磁通量为：要使实际磁环和理想磁环等效，两者的磁通应该相等，即有：而2111000eeeeeelANIalAaNIlANIldAlAee22ldAlAee12ln2221rrhrhdrldAlArree)11(4)2(21222221rrhrhdrldAlArree2112211)(lnrrrrhAe

10、211211ln2rrrrle联立上式可解出Ae 和le 来。二、气隙对于磁芯的磁阻和有效磁导率的影响二、气隙对于磁芯的磁阻和有效磁导率的影响设气隙的长度为lg ，截面积为Ag ，则llAdldlHNI0.egeggAllAlNINL20egegglAllAlNIAdlNI00 而 故有可见，磁芯开气隙以后，磁导率变为有效磁导率，有效磁导率不仅与材料的起始磁导率有关，还与缝隙的大小有很大的关系。eeelANL20egeggeeeAllAlAl根据上式还可推出 表明磁芯有效磁导率的相对变化率比材料磁导率的相对变化率缩小了一个因子通常称为稀释因子。三、气隙对磁芯的磁滞回线或磁化曲线的影响三、气隙对

11、磁芯的磁滞回线或磁化曲线的影响)11(eu)11(eeeudd由于气隙引起的退磁场，使作用于磁芯的实际磁场降低为达到相同的B，就需要更大的外磁场H。从而使磁滞回线或磁化曲线的斜率减小。四、气隙对磁性损耗的影响四、气隙对磁性损耗的影响因为外加电压不变，根据公式 则当频率不变时，开不开隙，磁感应强度B不变。而磁损耗和B及f相关，因此开隙后磁芯的功率损耗密度并不发生变化，但开隙后体积降低，故总损耗降低。2.2 短气隙磁芯的特性一、气隙的磁位：一、气隙的磁位：2NABUee气隙材料l dHl dHF.2.4 磁芯的形状及特性 任何磁性器件都是由磁芯加绕组一起构成，虽然不同的磁性器件在设计和应用时有不同

12、的特征和技术要求，但对于所有的磁性器件而言，其所采用的磁芯和绕组都具有一些共性的东西。 就现在得到广泛使用的磁芯来说。可以有两种分类的方法，其一是根据组成磁芯的部分来分。如果一块材料就构成了一个完整的磁芯，这样的磁芯称为单一磁芯。如我们常见的环形磁芯，双孔磁芯、棒状磁芯等。常见单一磁芯如下图所示：如果磁芯必须要又两块或两块以上的材料（绝大部分都是由两块构成）组合构成的话，这样的磁芯称为组合磁芯。如我们常见的E型磁芯、罐形磁芯、EP型磁芯等等。常见组合磁芯如下图所示： E型磁芯 罐型磁芯相比于单一磁芯，组合磁芯最大的好处是绕线方便。一般组合磁芯在应用时都会配一个相应尺寸的塑料骨架，绕线时可以借助

13、自动绕线机将绕组直接绕制在骨架上，这样可以大大提高绕线的效率以及一致性。然后再将绕好线的骨架嵌入到组合磁芯中并固定好，即可构成磁性器件。组合磁芯及其骨架示意 当磁芯由组合构成时，由于在接触面上会产生气隙和退磁场，因此磁芯的有效磁导率相比磁芯材料的磁导率会有下降。下降的程度示气隙的大小而定。对于不希望有效磁导率下降的组合磁芯，可以对组合磁芯的所有接触面都进行抛处理，以尽可能的降低气隙的大小。 此外，如果根据磁芯的形状，即磁力线的路径来分，磁芯又可以分为开路磁芯和闭路磁芯两大类型。 工字磁芯 棒状磁芯 第一类为开路磁芯，这种磁芯的磁路是开路的，通过磁芯的磁感应强度同时要通过周围空间才能形成闭合回路

14、。常见的开路磁芯包括棒状磁芯、工型磁芯。开路磁芯的有效磁导率决定于磁芯材料和磁芯尺寸比。 第二类为闭合磁芯，这类磁芯的磁路是闭合的，或基本上是闭合的（组合磁芯如果没有刻意开大的气隙，也认为是闭合磁芯），磁感应强度在磁芯内形成闭合回路。 环型磁芯 E型磁芯2.7 绕组直流电阻和交流损耗1、直流电阻的计算，注意Rd/L与匝数无关如果有初次两个绕组，两绕组所占面积相当时绕组损耗最小。2、绕组中的交流损耗包括集肤效应和邻近效应引起的涡流损耗可通过用多股相互搓捻的细导线代替单股导线的方式降低交流损耗圆柱形导体内集肤效应示意 圆柱形导体内临近效应示意图 在螺旋式路径中邻近效应抵消的示意图 3.2 磁芯的最

15、佳几何形状设计一个高Q的电感器，不仅要设法降低铁氧体磁芯的损耗，而且要使磁芯具有合理的尺寸，以保证在一定的应用条件下，绕组的直流电阻与电感量的比值最小绕组的直流电阻为awwcwcdFAlNdNlR224电感的计算式为 eeelANL20eewewaceeawewcdAAllFAFAllLR00LRd/为了提高电感器的品质因数，希望在满足感量的前提下绕组的电阻越小越好，因此优值越小越好。的比值应越小越好。一般又把这个比值称为优值 3.3 匝数因子与电感因子AL 对于一定尺寸的磁芯，可以用匝数因子或电感因子AL 来表示电感量和匝数的关系。 指要得到1mH电感量所需要的匝数。AL 指对于一个给定的磁

16、芯，每平方匝数所具有的电感量。L=AL N2 一般实际应用中都是采用电感因子来计算电感量。22020.NANlAlANLLeeeeeeeeeLlAA03.5 电感量的稳定性由于电感主要是由磁芯的有效磁导率决定，故电感量的稳定性也由有效磁导率的稳定性决定。开气隙的磁芯有效磁导率的稳定性高于相应磁芯材料磁导率的稳定性。3.6 引起能量损耗的机构总损耗包括：绕组损耗（铜损）和磁芯损耗（铁损）铜损又包括：直流电阻损耗和交流损耗铁损包括：磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗此外还有少量杂散电容引起的损耗第四章 低功率线性变压器磁芯主要功能：主要功能： 升降电流电压； 为电子电路提供阻抗匹配； 实现电气隔离。主要

17、特点：主要特点：由于在应用的系统中信号的电平较低，大多数此类变压器磁芯都工作在弱磁场下，因此称为低功率。此外变压器所传输的能量是分布在较宽的频谱范围内，要求在传输这些宽频带信号过程中不产生波形失真，因此又称为线性。由于变压器有升降压的功能，因此不能用此式来表示变压器所引起的损耗，为此，引入了有效损耗Ae的概念。Ae为电源与负载之间接入理想变压器时的负载电压与接入网络后的负载电压之比： 当信号源阻抗与网络的输入阻抗之间失配时，会将部分外加功率反射回信号源，可由反射损耗来衡量反射功率的程度：际变压器后的负载电压电源与负载之间接入实想变压器时的负载电压电源与负载之间接入理lg20eAabababab

18、aaaarRRRRRRRRERREAlg2044lg10lg10lg10222外加功率负载功率外加功率反射功率外加功率反射损耗二、变压器的等效电路：二、变压器的等效电路：nNNUU121212111NINI事实上，宽带变压器中的有些参数在低频时对插入损耗的影响很大，而在高频时影响则非常小，反之，有些在高频影响很大的参数，在低频时的影响却非常小。因此，如果不要求很高的计算精度，将变压器的插入损耗分别按低频段、中频段和高频段来分别进行计算，简化掉各个频段影响小的参数，那么变压器的传输特性计算就可以简单很多了。 三、中频传输特性：三、中频传输特性： 影响中频传输特性的主要是绕组的串联阻抗RS以及磁芯

19、的并联损耗阻抗RP。由于铁氧体磁芯的电阻率高，所以，RP较大，对于中频损耗的影响较小。 而电容和电感的影响都可忽略不计。中频等效电路如下：由于绕组的串联阻抗RS引起的插入损耗Ai为：由于磁芯的并联损耗阻抗引起的插入损耗为：)1lg(20basiRRRA)1lg(20piRRAbabaRRRRR四、低频传输特性：四、低频传输特性：这是图4-1中f1附近的传输特性，但f2的值是相对的。工作在高频域的宽带变压器的f1可达10 Mhz，由于变压器的并联阻抗随工作频率的下降而下降，引起附加损耗，使低频特性降低。但磁芯的并联损耗阻抗与频率基本无关，所以，对低频特性的影响可以忽略。此时等效电路为: 由并联电

20、感Lp所引起的低频附加损耗为 ：五、高频传输特性：五、高频传输特性：变压器的高频传输特性主要受到漏电感Ll及并联电容C的影响。此时等效电路为21lg10piLRAbabaRRRRR由漏电感引起的附加插入损耗为 ：由并联电容C所引起的附加插入损耗为 ：21lg10baliRRLA21lg10CRAi根据变压器高、中、低频的插损计算公式可见：在低频域时，频率越高，插损绝对值越小；中频域插损与频率近似无关；而在高频时，频率越高，插损绝对值越大。因此整个变压器功能类似一个带通滤波器。可以根据宽带变压器低频和中频的插损特性来作为设计变压器的参数依据，而高频插损主要由改进变压器的绕制方式来降低。 实际宽带

21、变压器的测试结果如下：4.2磁芯磁导率及形状对变压器性能影响变压器磁芯的作用:为磁通提供一个低阻抗的通路,保证初级绕组和次级绕组之间有良好的耦合.因此要求Lp大,Le小。因此对于低功率线性变压器，一般采用不开隙的环形磁芯。确定对电感的要求后，可通过电感因子来计算匝数。为降低低频插入损耗，要求R/Lp越小越好，可通过优化磁芯的几何形状及提高磁芯的有效磁导率来降低优值。高频响应特性则与漏电感有关。漏电感越小，高频特性越好。变压器通频带宽度决定于比值Lp/Ll，有三种途径可提高变压器通频带。1、提高磁芯的有效磁导率，从而提高Lp；2、从磁芯的几何形状及尺寸着手，将它设计成为具有最佳尺寸的磁芯，此时有

22、 13chlbLLwwwelp因此，为了提高Lp/Ll，绕组的形状必须是宽而薄，这种结构与优值最小时的最佳几何形状是完全一致的；3、将绕组的初级和次级交替绕制，以便在不影响Lp的前提下，使漏电感Ll降低。如果磁芯同时受到偏置场的作用，可通过开气隙来降低偏置场的影响，最佳气隙可通过哈纳曲线来确定。注意：使用频带宽和使用频率高概念不一样，但一般来说，频带宽其最高使用频率也高。5.2 磁芯用材料的特性用作功率变压器的磁芯材料用作功率变压器的磁芯材料主要要求Bs大、居里温度高、损耗低，磁导率较高。低频选用硅钢片，高频选用功率铁氧体材料。对功率铁氧体材料微观结构的要求。 1）晶粒内无杂质，无缺陷，有较高

23、的磁导率； 2)晶粒的尺寸较小，而且均匀一致； 3）晶界出聚集高电阻的杂质，晶界较薄； 4）气孔小，而且仅存在于晶界中。5.4 磁芯损耗及绕组损耗总损耗包括：铁损、铜损其中铁损包括：磁滞损耗（正比于Bmfn 且是温度T的函数，存在一个损耗最低的温度点）涡流损耗（正比于B2f2d2/）剩余损耗（正比于fn ，与Fe2+ 含量有关） 当工作频率提高时，铁损整体损耗增加，应对磁芯体积、线圈匝数及传输功率作一个折衷的选择，以使变压器有最佳特性。其中铜损包括：绕组直流损耗绕组交流损耗导线越粗，交流损耗部分上升，直流损耗部分下降；导线越细，交流损耗部分下降，直流损耗部分上升。故存在使铜损最小的最佳直径，满

24、足此直径时，可以证明，R总1.5Rdc 第 六 章 磁性抗EMI器件6.1 铁氧体的射频应用特性一、决定铁氧体磁谱的机制: 磁导率随频率而变化的现象称为磁谱。在交流下，磁导率为复数磁导率，包括和”， 随f的变化称为频散， ”随f的变化称为吸收。而影响频谱的主要因素有：磁畴自然共振；畴壁共振；尺寸共振。传导干扰又可分为：共模干扰和差模干扰两种而抗EMI器件按工作原理又可分为：吸收式抗EMI器件和复合LC组合式抗EMI器件对于吸收式抗EMI器件，则主要是利用铁氧体磁芯阻抗的频率特性来达到通低频阻高频的目的。020040060080010000.010.1110100200400600800900

25、1000频率（MHz）阻抗（欧）在低频时，大”小，阻抗主要由做贡献，而当频率超过截止频率后， 很小，而”仍具有一定的值，并且此时很大，因此阻抗也很大且主要由” 做贡献。当频率进一步升高， 和”进一步减小且分布电容的影响，阻抗达到峰值并开始下降。一般来说，磁芯阻抗的峰值频率远高于磁芯材料的截止频率，但与磁芯材料的截止频率成正比。为了抑制不同频段的电磁干扰，需要选用具有不同截止频率的材料，也即需选用具有不同起始磁导率的材料，以使磁芯阻抗的峰值频率点与干扰的中心频率接近。因此，抗EMI材料必须做成一个具有不同起始磁导率的一个系列，以满足不同的应用场合需要。根据目标要求设计的一个复合LC滤波器其衰减的

26、目标要求为在10MHz时衰减为3db，在30MHz时衰减为40db，其中输入和输出阻抗Rs=R0=50欧姆，低通滤波器阶数为四阶（阶数也是根据滤波的衰减要求而查表得到的）。 6.3 共模和差模抗EMI器件一、共模抗一、共模抗EMIEMI器件（扼流圈）器件（扼流圈）差模电流以相反的方向流过共模扼流圈的绕组，建立大小相等，极性相反的磁场，它能使输出相互抵消，这就使共模扼流圈对差模信号的阻抗为零。差模信号能不受阻地通过共模扼流圈。而共模电流以相同的方向流过共模扼流围绕组的每一边，它建立大小相等相位相同的相加磁场。这一结果就使共模扼流圈对共模干扰信号呈现高阻抗，从而有效抑制了共模干扰信号的干扰。二、差模扼流圈只有输入线或输出线通过，因此对有用信号和干扰信号都会产生抑制作用，只是对有用信号的抑制很小，而对干扰的抑制大。另外，此类磁芯特别要注意饱和现象，因此多采用铁粉芯来制作，因为铁粉芯的Bs很高。LTCCLTCC技术发展的四个阶段：技术发展的四个阶段：（1 1）LTCCLTCC单一元器件，包括片式电感、片式电容、单一元器件，包括片式电感、片式电容、片式电阻和片式磁珠等等；片式电阻和片式磁珠等等；（2 2）LTCCLTCC组合器件，包