平面型磁芯的设计

平面型磁芯的设计本文详细论述了有关平面铁氧体磁芯的磁性设计。包括标准尺寸和外形；材料的选取，功率的控制；气隙开槽；装配；设计难点；原始设计以及发展情况；磁芯的制造以及特殊应用等。MarkA.Swihart,资深应用设计工程师，Spang&Company公司磁学部刘波译爱默生网络能源有限公司随着开光电源的小型化和功率密度的提高，平面电感变压器的应用越来越广泛，很明显，在平面磁芯中以下的特点是最重要的：在许多应用中，保持功率变压器和电感器较低的高度是很有好处的。在印制板中安装高度最高的常常是磁性器件。不过，保持磁芯器件较低的高度并不仅仅是平面磁芯在功率磁芯器件中的大量应用的唯一原因。平面磁芯的设计在降低漏感；极好的可重复性性能；较为经济的装配工艺；机械完整性以及极好的散热性能方面也都有极好的表现。简单的说，平面变压器或电感器是由一对带有平坦绕组的短腿的较宽，较长的磁芯组成。这一结构形式与通常带有柱状绕组的长腿的宽度较窄的磁芯设计有很大的不同。平面磁芯在很低的外形上有很大的方形面积，而传统的磁芯则是圆形立体容积。平面绕组通常是在PCB板上粘贴或直接作在PCB板上，而不象传统的绕组是沿磁芯卷绕形成。发明背景法拉第法则在磁芯设计中有如下表示形式法拉第法则：V=4.44N*Ae*fs*B*10注：V——表示感应电压（单位为伏特）4.44——表示正弦波的系数因子N——表示线圈的匝数Ae——表示有效的磁路截面积f——表示电磁频率B——表示最大磁感应强度既然到目前为止，还没有更好的低损耗，高电流密度，或抗饱和的高磁感应强度的新材料产生。那么从法拉第法则公式中可以看出，能够明显缩小磁芯尺寸的方法就是提高电磁频率。提高磁芯工作频率的关键前提是铁氧体适于工作于数百千赫兹甚至达到兆赫兹的工作频率。在高频情况下，Ae和N的值相应减小，这就意味着与低频相比较，磁芯尺寸相对微型化。但是，在实际情况下，开关频率是有一定上限的。开关管的损耗和磁芯的损耗以及寄生参量都对磁芯器件直立式安装的设计频率的提高造成了影响。由于受法拉第法则中所有参数的限制，磁芯的体积或多或少的被固定下来。这促使设计师们考虑通过在PCB板上扩展磁芯的空间范围来取代传统的在很小的范围上安装的直立式安装方式。规则的几何形磁芯最常提及的平面磁芯是E型磁芯，图一展示了平面型E型磁芯与传统的E型磁芯的结构差别。很容易看出，平面型磁芯通过增大平面面积大大扩展了磁芯的体积，并降低了高度。图一（a）平面E型磁芯.（b）传统E型磁芯.（c）与平面E型磁芯相同制作方法的平面型I型磁芯近年来，有关平面磁芯的工业标准已经逐步建立起来了，虽然铁氧体供应商提供了一些独有的磁芯元件，并且许多设计者利用这些元件也开发了一些具有特殊应用的设计，但是大量的通用尺寸逐步形成。IEC标准中60860号关于“低外形铁氧体磁芯的尺寸规范”被广泛采用。表1列出了标准E型平面磁芯的尺寸数据，对于每一个E/E型磁芯，都有相对应的E/I型磁芯，称为E/PLT（forplate）。对于E/I型磁芯，内部高度仅指D，而不是2D，总的高度为2B-D。CoreAmmBmmCmmDmmEmmFmmAemmlemmE/E1414.003.505.002.0011.003.000.1472.07E/E1818.003.9810.001.9814.003.980.4012.42E/E2221.605.7215.903.1816.505.080.813.21E/E3231.756.3520.323.2825.406.351.294.17E/E3838.108.2625.404.4530.487.621.925.28E/E4343.189.5327.905.4635.058.132.275.75E/E5858.4010.5538.106.5051.108.103.108.07E/E6464.0010.2050.805.1053.6010.205.196.97E/E102102.0020.3037.5013.1386.0014.105.4014.80图表1.E型磁芯工业标准。尺寸参照图1（a）平面型几何外形不仅仅指E型磁芯，还有许多其它种类的低外形产品也已经生产出来了。它们包括PQ型，RM型以及罐形磁芯等（图2和图3）。这几种类型磁芯有以下优点，一是由于磁芯中间磁腿和边缘四周都呈圆形，可降低铜线的每匝长度，从而降低铜损。ER系列磁芯是中间腿呈圆形的E型平面磁芯（如图4所示）。另一优点是能够充分利用PCB上的空间，尤其对于RM型磁芯，可以设计成正方形形式。低外形类的标准磁芯的最有意义的优点是初期样品的制作相对容易的多。整个磁芯用机械加工到平面磁芯的高度，一旦最佳高度确定下来以后，就可以通过步骤简单的标准的工模夹具来进行大批量磁芯的生产。IEC标准61860号除了包括E/Es和E/Is类平面磁芯以外，也将会包括RM和ER平面磁芯的标准分类。图2:PQ型——标准和平面型图3:RM型——标准和平面型图4:ER几何外形平面绕组设计在绕制平面型变压器或电感器时有四选项可供选择。（1）多层叠层PCB板（2）独立支撑的多层板（3）整体板（4）导线多层叠层PCB板将配合磁芯外形和端头制造的单板进行叠合，然后进行电气连接，有时是用通过一层绝缘薄膜进行隔离的覆铜线进行连接。单个标准多层板将仅仅由平面绕组组成的单个PCB板按磁芯外形和和端头进行加工。磁芯在主板上进行装配和安装，或者在主板上按要求的高度进行剪裁加工。整板这种方法有最好的潜在利用空间。绕组被设计在多层板的主体内部，并在板上裁剪出相应的磁芯中间臂和两边的侧臂的开口。磁芯沿着PCB板进行装配，高度同时沿顶部和顶部延伸。困难最终可能出现在其它方面的限制。如果在PCB板主体部分的层数不足，那么有一种的综合方法是部分绕组与PCB板分离，进行单独绕制，其余部分整合到板子上。绕线不容忽视的是利用平面型磁芯进行设计时未对PCB上的导线进行规划设计，这会导致PCB印制电路绕组的性能和漏感指标达不到要求，同时装配成本也大为提高，不过，在高度以及热设计性能方面的优点还是存在。磁性线圈绕组在产品初期生产时较为便宜，并且易于调整，边缘损耗也较低。利用PCB印制线设计绕组有以下几个优点：由于绕组是固定的，不能按通常的方法进行调整，因此同一批次产品的性能一致性非常好。绕组的漏感和邻近耦合效应都很低。通过采用交替绕线方式，线圈基本电感漏感值可降低到1%甚至0.1%。不过交替绕线方式也有相邻的电容耦合效应以及装配复杂的缺点。既然存在以上特点，在设计时就可以把它们的影响考虑进去，在谐振电路设计中电容效应可以被充分利用。通常在批量生产时，平面型设计可降低生产成本。与传统的线绕式设计相比，PCB印制线式绕组的设计更加自动化。一些生产流程被简化或取消，这是由于磁芯的装配完全整合到PCB板上，同时，焊料和硬件成本也省了。对于向达到数百匝线圈的PCB印制线提供绕线工具仍然是一个问题，幸运的是，电源是PCB印制线型线圈的最典型应用，而电源中，线圈的匝数要求通常都比较低。依靠过去使用的电路拓扑，再加上复杂的绕线传感器或绕线复位装置来实现PCB印制线型线圈的设计。更实际的问题是要确保PCB印制线中公共交叉部分的覆铜必须达到足够的电流耐受强度的宽度。材料的选取和功率的控制对于电源变压器和电感器，铁氧体材料的选取标准同时包括几何外形是否是平面型以及几何外形是否常用。有几种制造工艺能生产出性能优异的电源用磁芯材料。每一种制造的设计目标都是为了在频率和温度特性方面对其进行优化，而且，材料的特性是与磁芯几何形状无关的（当然，温度性能是与磁芯具体形状有关的）。平面磁芯的设计对促进高磁通密度的推广方面大大优于传统、单一的设计方案。有一些磁性设计是在铜损和铁损方面进行折中设计的。换句话说：匝数较多的线圈设计使得磁芯的磁通密度和磁芯损耗较低；而匝数较少的线圈设计使得电流密度和铜损较低。在典型的平面型设计中，由于减小电流密度更加利于总损耗的降低，所以，更倾向于采用较高的磁感应强度的工作方式，而非传统的方式。由于平面型几何外形的磁芯相对总的空间有较小的窗口，所以绕组空间大为增加，对于PCB印制线线圈，由于被覆铜填充的窗口的最大实际比例比传统绕线低，由于这个原因，线圈的匝数能够保证最少。与此同时，平面型磁芯有较高的比表面积。由表面逐渐向更大的外部空间扩展，特别有利于热设计的实现。通常，磁芯和导体都在靠近表面产生热量，比表面积较大有利于热辐射。最后，对外面最大的铁氧体平面表面通过自然的热沉或通过风冷进行降温。由于先进的低损耗铁氧体有极好的工作温度特性，因此，在设计中可以增加磁感应强度，这就使得整个设计可以获得较小的体积或者较高的电源效率，否则，要实现以上特点几乎不可能。例如，表2是在相同尺寸下一种平面磁芯（E/E32）与传统的方腿E型磁芯的（叠层尺寸为E2627）的比较。（注意：通常人们对“叠层尺寸”的概念容易混淆，它是指带有绕组的叠层硅钢片那一类已经建立了各种分类的铁心，而铁氧体磁芯是与叠层无关的。铁氧体是按绕组架来决定大小的，所以叠层尺寸是固定的。磁芯型号E/E32E2627窗口总面积平面型(Plannar)传统型（Traditional)几何外形0.605cm^21.127cm^2磁芯截面积1.29cm^20.836cm^2产品面积0.78cm^40.94cm^4磁芯开窗口面积比例47%135%外暴露表面积23cm^219cm^2满绕组体积11.3cm^312.6cm^3最低高度1.3cmcm磁芯尺寸（参照图1（a）和图1（b）A=31.8mmB=6.4mmC=20.3mmD=3.2mmE=25.4mmF=6.4mmM=9.5mmA=30.5mmB=13.4mmC=9.4mmD=9.0mmE=21.9mmF=9.4mmM=6.2mm

从表2中不难发现，与传统磁芯相比，平面型磁芯的窗口面积更小。窗口面积比公共磁芯部分截面积的一半还低。相对较小的窗口面积使得导体的效率大为提高，即使在很高的磁感应强度下也是如此。这种平面型磁芯的外露表面积大大增加，这样就能更有效的辐射更多的热量。即使平面型磁芯的面积和总的体积比传统磁芯更小，仍然能设计出同样性能优越，高度更小的产品。平面型磁芯的潜在优点还在于它的机械完整性。在冲击，震动方面，传统的磁芯由于又高又重，使得它特别容易受到损伤，相反，由于平面型磁芯重心靠近甚至直接在PCB板内部联成一体，所以在冲击，震动方面大大优于传统磁芯。不过，对平面型磁芯也要进行折中考虑。平面型磁芯对于机加工和热冲击比较敏感，而传统磁芯则相对结实一些；对于相同质量的磁芯，平面型磁芯的截面积显得较薄。当磁芯工作于典型的开关频率下时，磁损耗的影响远远大大于磁饱和的影响。平面型磁芯可工作在较高的磁感应强度下，基于以上提到的原因，对磁损耗必须限制在保证一定的总的转换效率和可承受的温升范围内。有一个不太明显的事实就是对于给定的电压，磁芯和绕组，开关频率的提高能够降低磁芯的损耗。平面磁芯的标志性特点是绕组缺乏足够的灵活性。对于传统的磁芯，如果磁感应强度太高了，可通过添加线圈匝数来解决问题，然而，对印制线绕组来说，添加绕组就不太容易。从法拉第法则可看出，还有另外一种方法可降低磁感应强度，那就是提高开关频率。铁氧体磁芯在典型的开关频率下，由磁感应强度太高引起的损耗指数远远高于开关频率提高造成的损耗：PowerLoss=a(f)(B),这里d＞c;同时，（f×B)=常数，所以，对于一个给定的结构，由以上公式可看出，增加频率更有利于降低磁芯损耗。开气隙槽在电源电感器中，通过开气隙槽来保持预期电感量，同时也保证在设计的电流范围和温度范围内磁芯不会饱和。平面型磁芯在经过防范处理之后，特别适合与电感器的制作。磁芯所开的气隙既要保证有足够的电感量以便控制纹波电流在可接受的范围内，又要使气隙有足够的深度以保证在最大的负载下不会饱和。由于线圈匝数是可变的，寻找最佳气隙的方法通常采用反复调整的方法。铁氧体厂商提供的直流偏置下的性能曲线常常作为衡量所开气隙在最大电流下是否会出现磁饱和的依据。最重要的是一定要记住偏置曲线下跌时候对应的温度，这是因为随着环境温度的提高，铁氧体的抗饱和性能相应下降。通常平面型电感器的温升是关键考虑的问题。对带有开槽气隙的电感器，边缘损耗是比较严重的，尤其对于平面性磁芯来说，更为严重。在磁芯中间臂公共磁通部分，气隙周围存在严重的磁场边缘效应趋势或者呈弯弓状扩散，进入绕组空间。当公共磁场进入了导线绕组以后，就形成了涡流，能量在这里被浪费了。如果绕线不是圆形导线而是平面覆铜线，并沿着边缘磁场的方向放置，涡流效应会更加严重，甚至会带来灾难性的损耗结果，补救的办法是保持气隙较小的深度；使导体绕组尽量远离气隙区域；考虑使用E/I型磁芯，这样就使气隙不在绕组的中心区域。所有这些方法都会对磁芯饱和性能，尺寸，漏感等造成一些负面影响，所以设计时必须综合衡量。在大多数情况下，对电感器测量开槽磁芯的电感（A比测量磁芯开槽深度更有可重复性。制造中心通过测量电感参数来确定气隙深度是否合适，而不是直接测量气隙的深度，这不仅仅是因为由于电气参量固有的比物理尺寸测量更家精确的特点，还因为电气参量能够反应材料磁导率性变化以及有效参数变化产生的影响。问题的关键是制造商在进行电感器参数A的测量时实际上是以印制线进行测量的。供应商的测试架与那种低匝数测试操作是不相同的，因此，通过测试参数AL进行计算的电感值与实际电路中测试的电感值是有差别的。所幸的是平面型绕组架的变化是很小的，所以一旦相互对应关系确定下来以后，就没有变化了。当要求气隙小于0.020``时，对于平面型磁芯，允许铁氧体制造商比工业标准有±3%的较宽的公差容限，这是由于平面型磁芯要求沿较宽的中间臂平行方向磨成统一的平面这一难点的原因。装配环绕绕组进行磁芯的装配有几种变化形式。有一些平面磁芯带有凹槽和夹子，这样安装时就不会增加总体高度，这是一种很吸引人的原型形式，它适于安置在很多种产品种类中。不过它也有缺点，主要在于夹子成本过高，制造的复杂性，装配的工作强度以及在整板上的装配难度等也都增加了成本。平面磁芯以带状形式进行装配，也是很方便的。这种形式在正在发展中的期望磁芯能进行无损伤的可拆卸装配方面的工作中的应用尤其有意义。最普遍的产品装配方法是利用高温的较薄的粘合剂进行粘结。对于功率铁氧体磁芯，进行正面紧密配合的粘合对磁芯的电性能没有明显的影响。如果粘合剂选取适当，就能实现装配牢靠，成本最低的大批量产品的生产。一些设计者对专门的平面磁芯进行适当的单独设计，这是为了解决特殊机械形状和散热问题。设计中应注意的危险问题为了预防以上提到的开气隙的磁芯的设计问题，设计者必须对平面磁芯结构中的一些潜在危险有所了解。趋肤效应和邻近效应的影响利用平面覆铜导线进行交叉绕线实际上是为了对付趋肤效应和邻近效应的负面影响，但是，要注意的是，这种典型平面型设计应用在大电流，高频率的情况下，交流铜损可能会很明显。实际覆铜所占窗口的空间大小过高的估计窗口中的覆铜的填充量很容易导致电流密度超过预期的量，必须针对不同的板材，绝缘性能，机械强度等参数对导线填充窗口后的剩余窗口空间大小进行重新分配和设计。绕线端头的处理在设计中，平面绕组的输入和输出的端头的连接是很棘手的，这一问题如果处理不当就会造成很大的寄生参量和较高的绕线电阻，找出变压器的端头电阻以便平息变压器的高频绕线电阻是可以解决的。机械完整性尤其对于平面型磁芯，由于有很大的温度漂移是很正常的，所以一定要注意在磁芯，热沉，压板，粘胶和PCB板之间的热扩散系数的大小。铁氧体磁芯的温度系数是很低的，为10-11ppm/℃，同时，铁氧体磁芯是易碎的，这是由于毕竟铁氧体磁芯是属于陶瓷材料以及平面磁芯的剖面既扁平又薄，不象紧密几何体那样易于吸收和缓冲应力的原因。同时，磁芯必须避免热冲击，铁氧体磁芯的升温或冷却速度不能超过每分钟5到10摄氏度，否则就可能会碎裂。焊接和加工处理时务必当心避免热冲击的作用。热量的失控再次强调一定要注意材料选取的重要性。如果变压器或电感器的温度会有较大的升高，那么一定要确定最坏条件下的磁芯损耗以及磁芯损耗对温度的变化曲线。如果磁芯损耗在不断升高的某一温度点上迅速升高，此时热量失控的条件就产生了。尺寸的限制在设计中必须将最大可能尺寸的PCB印制线绕组安装固定在最小可能尺寸的磁芯上。铁氧体磁芯供应商在出版的参考尺寸手册上标明的典型尺寸公差为1-3%，之所以有以上的公差是由于铁氧体磁芯在烧结时会产生收缩，导致成品尺寸会在可控制的范围内产生一定的分布范围，对于同一批次的产品尺寸偏差不会太大，而对于不同批次的产品，变化比较大。原型以及发展衍生设计一个新的平面变压器或电感器的最佳捷径当然是利用现有的标准磁芯进行设计，不过设计者为了尽最大可能充分利用每一点空间，就产生了特殊的磁芯。绝大多数平面E型磁芯的磁腿都是倒圆角的（如图1（a））。除了有利于充分利用PCB板空间之外，既然是倒了圆角，那么倒角的铁氧体磁芯就意味着磁芯的高度是可由生产商进行调整的。一些中间腿截面为圆形的磁芯也是通过压缩腿的高度来调整磁芯的高度（如图2，3和4所示）。另一种压缩腿的方式是从磁芯侧边进行，磁芯的可调整的参数是宽度而不是高度。通过对标准磁芯的加工，最初的原型从磁芯配合面（或从背面方向，如果需要的话）被压缩。表面磨加工可能由制造商直接完成，或由某些具有丰富的复杂铁氧体机加工经验的分销商或深加工的专业作坊完成。一旦设计方案被确定下来并且大量的需要的话，制造商便通过将磁芯降低到较低的适当高度来进行大批量的生产。很明显，对制造商来说，过早确定磁芯的高度和量产是极为明智的。从某种程度上说，现成的磁芯并不都是合适的，关键在于利用全新的磁芯来进行新的应用设计能否保证生产周期和控制生产成本。基于以上原因，采取的策略是在新的磁芯结构确定以前，利用原始的磁芯进行尝试。图5便是展示标准磁芯通过平面表面的切割形成平面E型磁芯的示意图。图5图5（a）标准（非平面型）磁芯。（b）隐藏在标准磁芯内部的平面型磁芯。（c）通过对标准磁芯的侧面平面磨加工去掉一定厚度以后的磁芯。（d）