开关电源中的磁性材料
磁珠在开关电源上的主要作用
磁珠在开关电源上的主要作用第一篇：磁珠在开关电源上的主要作用磁珠在开关电源上的主要作用铁氧体电磁干扰抑制元件铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。
它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为灰黑色。
电磁干扰滤波器中经常使用的一类磁芯就是铁氧体材料，许多厂商都提供专门用于电磁干扰抑制的铁氧体材料。
这种材料的特点是高频损耗非常大。
对于抑制电磁干扰用的铁氧体，最重要的性能参数为磁导率μ和饱和磁通密度Bs。
磁导率μ可以表示为复数，实数部分构成电感，虚数部分代表损耗，随着频率的增加而增加。
因此，它的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路，L和R都是频率的函数。
当导线穿过这种铁氧体磁芯时，所构成的电感阻抗在形式上是随着频率的升高而增加，但是在不同频率时其机理是完全不同的。
在低频段，阻抗由电感的感抗构成，低频时R很小，磁芯的磁导率较高，因此电感量较大，L起主要作用，电磁干扰被反射而受到抑制；并且这时磁芯的损耗较小，整个器件是一个低损耗、高Q特性的电感，这种电感容易造成谐振因此在低频段，有时可能出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。
在高频段，阻抗由电阻成分构成，随着频率升高，磁芯的磁导率降低，导致电感的电感量减小，感抗成分减小。
但是，这时磁芯的损耗增加，电阻成分增加，导致总的阻抗增加，当高频信号通过铁氧体时，电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。
铁氧体抑制元件广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上。
如在印制板的电源线入口端加上铁氧体抑制元件，就可以滤除高频干扰。
铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰，它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。
磁珠的原理和特性当电流流过其中心孔中的导线时，便会是磁珠内部产生循环流动的磁道。
用于EMI控制的铁氧体配制时，应当可以把大部分磁通作为材料中的热散掉。
这个现象可以由一个电感器和一个电阻器的串联组合来模拟。
如图2所示两个元件的数值大小与磁珠的长度成正比，而且磁珠的长度对抑制效果有明显影响，磁珠长度越长抑制效果越好。
开关电源中磁粉芯认识, 铁氧体,粉芯, EMC,滤波电感
一). 粉芯类1. 磁粉芯磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。
由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5~5微米），又被非磁性电绝缘膜物质隔开，因此，一方面可以隔绝涡流，材料适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有低导磁率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定。
主要用于高频电感。
磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。
常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯及铁硅铝粉芯三种。
磁芯的有效磁导率me及电感的计算公式为： me = DL/4N2S ´ 109其中： D为磁芯平均直径（cm），L为电感量（享），N为绕线匝数，S为磁芯有效截面积（cm2）。
(1). 铁粉芯常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成。
在粉芯中价格最低。
饱和磁感应强度值在1.4T左右；磁导率范围从22~100; 初始磁导率mi随频率的变化稳定性好；直流电流叠加性能好；但高频下损耗高。
(2). 坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯主要有钼坡莫合金粉芯(MPP)及高磁通量粉芯(High Flux)。
MPP是由81%Ni, 2%Mo, 及Fe粉构成。
主要特点是: 饱和磁感应强度值在7500Gs左右；磁导率范围大，从14~550; 在粉末磁芯中具有最低的损耗；温度稳定性极佳，广泛用于太空设备、露天设备等；磁致伸缩系数接近零，在不同的频率下工作时无噪声产生。
主要应用于300KHz以下的高品质因素Q滤波器、感应负载线圈、谐振电路、在对温度稳定性要求高的LC电路上常用、输出电感、功率因素补偿电路等, 在AC电路中常用, 粉芯中价格最贵。
高磁通粉芯HF是由50%Ni, 50%Fe粉构成。
主要特点是: 饱和磁感应强度值在15000Gs左右；磁导率范围从14~160; 在粉末磁芯中具有最高的磁感应强度，最高的直流偏压能力；磁芯体积小。
开关电源中的磁性材料
开关电源电路中用到的磁性材料种类 很多，有铁氧体，磁粉芯，合金带（或 片），非晶态，超微晶软磁材料。合理 选用不同的软磁材料，是优化设计的重 要途径。几种磁性材料特性做大致比较 见下表：
超微晶
高频损 耗 磁导率 矩形比 饱和磁 低 高 较高 高
非晶态
低 一般 高 高
它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐 排列。
剩余磁感应强度：是磁滞回线上的特征参
数，H回到0时的B值 。
磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与
H的比值，该数值与器件工作状态密切相关。
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本 活 动 奖 品 由 Q 衣 族 提 供
居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度
升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消 失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。 它确定了磁性器件工作的上限温度。 初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率 μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导 率μp。
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在我们的日常生活中， 磁性材料也是无处 在．以汽车为例， 从启动机到电动车窗、 雨刷器等等，一辆汽 车要用数十个大大小 小的电动机，而要制 造电动机，需要大量 的永磁材料作为定子、 软磁材料作为转子；
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开关电源中用到的磁性元件有高频扼 流圈，开关变压器，磁性放大器，脉冲变 压器，过滤电感等，这些磁性元件所选用 磁芯材料直接影响着开关电源的效率和性 能。开关变压器是开关电源的核心元件之 一，选择合适的磁性材料是开关变压器设 计的关键对应不同工作状态的开关电源变 压器，由于磁芯工作在磁化曲线的不同区 域，应选用相应特征的磁性材料。开关变 压器的主要目标是提高效率，降低损耗， 而磁芯的损耗主要由于磁滞损耗和涡流损 耗造成。 5
开关电源磁芯材料的基本参数(2H)
磁化(Magnetization)
无外磁场作用下特点 有外磁场作用下的特点
磁场的表达
小磁针放在磁铁附近，在磁力的作用下的表现。
磁力线，磁感应线，磁通线表示磁场；并不 真正存在这些线条，也没有物理量在这些线 条上流动，只是为了表达。
1.1电流与磁场
如果将载流导体或运动电荷搬到磁场中，导 体受到作用力，克服作用力移动则要做功， 而做功需要能量，能量变化需要场地和时间。 理解磁现象的时 候，千万别忘记。
应该获得“渔”的能力，而不是“鱼”。
19-20世纪初磁学里四位伟大科学家
Maxwell:麦克斯韦电磁场理论
Lenz:楞次定律 Amper:安培定律
Frady:电磁感应定律
磁场的单位制
国际单位制SI制或MKS制
标准统一，计算方便，用于国际学术交流， 但工程应用不方便。 实用单位CGS制
工程上使用比较方便
B F /( IL)
左手定则 判断方向
单位：特斯拉 T 高斯 GS
国际单位（SI）制 电磁单位（CGSM）制
1特斯拉的定义
一根1米长通有1A的导体 放在1特斯拉的磁场中受 到的电磁力为1牛顿。 要研究磁感应强度的单位要从源头分析“力”
1特斯拉=1牛顿/(安培米)（国际单位制，SI）
B dA 0
A
B
in out
B
磁场中的高斯定理
(5)安培环路定理:全电流定理 电流I与磁场强度H有密切的关系，用安培 环路定理，解决了它们之间的数量关系。
电流产生的磁场中，矢量H沿任意闭合曲线的积 分等于闭合曲线所包围的所有电流的代数和，
H d l H cos dl I
开关电源的输入emi 差模电感磁芯材料
开关电源的输入EMI差模电感磁芯材料引言开关电源是一种常见的电源应用，其设计和使用中需要考虑电磁干扰（EMI）的问题。
差模电感是开关电源中重要的组成部分，其磁芯材料的选择对EMI性能有着重要的影响。
本文将深入探讨开关电源的输入EMI差模电感磁芯材料的选择与应用。
差模电感的作用差模电感是开关电源中的滤波元件，主要作用有： 1. 过滤高频噪声：差模电感可以阻隔高频噪声，提高开关电源的抗干扰能力。
2. 平滑输出电流：差模电感能够减小开关电源输出的纹波电流，提高电源的稳定性和效率。
差模电感的结构和特点差模电感一般由磁芯、线圈和外壳组成。
其结构特点包括： 1. 磁芯材料：磁芯材料是差模电感的核心组成部分，决定了其电磁性能。
2. 线圈：线圈是差模电感的导电元件，同时也是差模电感电感值的决定因素。
3. 外壳：外壳对差模电感的屏蔽性能和机械强度有着重要影响。
磁芯材料的选择不同的磁芯材料具有不同的磁性能和电磁性能，对差模电感的EMI性能有着直接的影响。
常见的磁芯材料包括： 1. 铁氧体（Ferrite）：铁氧体是一种性能稳定、价格相对便宜的磁芯材料。
在高频范围内的磁导率较低，适用于高频开关电源的差模电感。
2. 铁氟龙氧体（Powder Iron）：铁氟龙氧体磁芯具有较高的饱和磁感应强度和磁导率，适用于高功率开关电源的差模电感。
3. 磁性不锈钢（MPP）：磁性不锈钢磁芯具有较高的饱和磁感应强度和磁导率，同时具有良好的磁滞特性和稳定的温度性能，适用于高性能开关电源的差模电感。
磁芯材料的性能参数对于差模电感的磁芯材料，我们需要关注以下几个重要的性能参数： 1. 饱和磁感应强度（Bs）：材料能承受的最大磁感应强度。
影响差模电感的磁能存储能力和工作点的选择。
2. 相对磁导率（μr）：材料相对于真空中的磁导率。
决定了磁芯中的磁感应强度和磁场能量的关系。
3. 硬磁饱和（Hcs）：材料达到饱和磁感应强度所需的磁场强度。
如何挑选开关电源的磁芯
硅铁块具有离散间隙，与铁硅铝(Kool Mμ)的分步式间隙不同，因此随着电流增加，饱和出现要快的多。铁硅铝(Kool Mμ) 可利用饱和曲线的优点，设计出较小的电感器。
硅钢装配件中所用的环氧树脂中一般不能像铁硅铝(Kool Mμ)在200 ℃操作。
铁硅铝(Kool Mμ)成本低于同等大小的硅钢块。
间隙铁氧体有较多种类的形状，有Pot Cores、EFD's、PQ's等等，而铁硅形状目前受限于 E-Core、U-Core & Blocks。
铁硅铝与铁粉芯
除了承受直流偏置外，开关稳压电感器还有一定交流电，通常在10kHz至300kHz。这种交流电流会产生高频磁场，造成磁芯损耗并导致磁芯变热。这种情况在铁硅铝(Kool Mμ)中会减少，因此电感更有效率，温度更低。
在铁损的部分，铁硅的磁芯损耗远低于硅钢叠片。用20μ铁硅铝和硅铁相比较，在10kHz和50kHz的频率情况下，硅铁的磁损更厉害。
铁硅铝的特点和应用
铁硅铝(Kool Mμ)是什么呢？简单来说，它是由铝-硅-铁组成，它拥有相当高的Bmax(1050mT)，它的磁芯损耗远低于铁粉芯及高磁通，有低磁致伸缩（低噪音），是低成本的储能材料，无热老化，可以用于替代铁粉芯，在高温下性能非常稳定。
表1.铁硅 与锰锌铁氧体之LI2值的比较
表2.铁硅 与锰锌铁氧体尺寸上之比较
间隙铁氧体也有很多优点，间隙铁氧体可以有很高的有效磁导率μeff，铁氧体可以在500 以上而铁硅 目前受限于μeff = 125。间隙铁氧体使用在一些低功率的设计时更为适合。
间隙铁氧体电感系数的公差值较低，如果工艺好的话，多数的铁氧体电感系数的公差值为 ±3，而铁硅 为 ± 12% 。
开关电源中的磁性元
变压器设计参数
设计变压器时，有两个重要参数，一个是窗口面积，它必须保证能够使导线绕满，并且损耗最小。第二个参数是磁芯的功率输出能力。这两个参数的直接关系式为： Pout=（1.16 Bmax·f·d·Ae·Ac）105 公式中，Pout：磁芯的输出功率，W； Bmax：最大磁通密度，T； f ：变压器的工作频率,Hz； d：导线的载流密度，A/m2 Ae：磁芯的有效截面积，cm2； Ac：磁芯的窗口面积，cm2
铁氧体化学分子为MFe2O4，这里的M代表：锰、镍、锌、铜等二价金属离子
铁氧体材料说明
高频电源变压器的设计原则
高频电源变压器作为一种产品，自然带有商品的属性，因此高频电源变压器的设计原则和其他商品一样，是在具体使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。有时可能偏重性能和效率，有时可能偏重价格和成本。现在，轻、薄、短、小，成为高频电源的发展方向，是强调降低成本。其中成为一大难点的高频电源变压器，更需要在这方面下功夫。所以在高频电源变压器的“设计要点”一文中，只谈性能，不谈成本，不能不说是一大缺憾，如果能认真考虑一下高频电源变压器的设计原则，追求更好的性能价格比，传送不到10VA的单片开关电源高频变压器，应当设计出更轻、薄、短、小的方案来。不谈成本，市场的价值规律是无情的！许多性能好的产品，往往由于价格不能为市场接受而遭冷落和淘汰。往往一种新产品最后被成本否决。一些“节能不节钱”的产品为什么在市场上推广不开值得大家深思。
变压器和半导体开关器件，整流器件，电容器一起，称为电源装置中的4大主要元器件。根据在电源装置中的作用，变压器可以分为：
01
起电压和功率变换作用的电源变压器，功率变压器，整流变压器，逆变变压器，开关变压器，作用的宽带变压器，声频变压器，中周变压器；
开关电源中的高频磁元件设计
(2)初始磁导率i
μm
就是磁性材料得初始磁化 μi
曲线始端磁导率得极限值,即
H
i
1
0
lim
H 0
B H
12
4、1 磁性材料得概述
(3)有效磁导率r
在闭合磁路中,或多或多或少地存在着气隙,若气隙 很小可以忽略,则可以用有效磁导率来表征磁芯得导磁 能力。
e
L
4N
2
l Ae
107
L —— 线圈得自感量(mH) N——线圈匝数 Ae ——磁芯截面积(mm2)
磁滞现象
磁感应强度B 得改变滞 后于磁场强度H 得现象称 为磁滞现象。
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4、1 磁性材料得概述
磁性材料得基本特性
• 磁感应强度 B (磁通密度)
• 表征磁场中某一点得磁性强弱和方向得矢量 B F IL
方向:左手定则 单位:特斯拉( T)、 高斯(GS),1 GS =10-4 T
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4、1 磁性材料得概述
频率越高,损耗功率越大。 在工作频率一定时,降低矫顽力可有效降低磁滞损耗。 磁感应强度摆幅越大,包围面积越大,损耗也越大。
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4、1 磁性材料得概述
• 涡流损耗
• 就是交变磁场在磁芯中产生环流引起得欧姆损耗。
PW
1
6r
2d
2
BW2
f
2
d —— 密度,单位体积材料得质量
r —— 磁芯得电阻率
注:
涡流损耗取决于材料得截面尺寸和电阻率。 在工作频率一定时,减小磁性材料厚度及提高其电阻率可减小 涡流损耗。 为减少涡流损耗,可将低电阻率得磁合金材料碾轧成薄带,用相 互绝缘得n 片薄带叠成相同截面积磁芯代替整块磁芯。
ab段就是上升段,不可逆
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软磁相框
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软磁年历 本 活 动 奖 品 由 Q 衣 族 提 供
软磁包括硅钢片和 软磁铁芯；硬磁包括 铝镍钴、钐钴、铁氧 体和钕铁硼，这其中， 最贵的是钐钴磁钢， 最便宜的是铁氧体磁 钢，性能最高的是钕 铁硼磁钢，但是性能 最稳定，温度系数最 好的是铝镍钴磁钢， 用户可以根据不同的 需求选择不同的硬磁 产品。 返回
开关电源中的磁性材料
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开关电源中的磁性材料
• • • • 引言 开关电源中磁性元件与磁性材料的关系 磁性材料的分类 不同磁性材料的性能及应用
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目前，航天与空间技术、计算机与通信技 术中，开关电源的应用较为广泛，逐渐占据 了主要位置，它具有功率小，效率高 （70~90%），稳压范围宽及体积小，重量 轻等特点。开关电源中的磁性元件是决定电 源效率，品质的关键因素。
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开关电源电路中用到的磁性材料种类 很多，有铁氧体，磁粉芯，合金带（或 片），非晶态，超微晶软磁材料。合理 选用不同的软磁材料，是优化设计的重 要途径。几种磁性材料特性做大致比较 见下表：
超微晶
高频损 耗 磁导率 矩形比 饱和磁 低 高 较高 高
非晶态
低 一般 高 高
非晶态软磁材料，这里介绍两种 首钢冶金研究所磁芯，AI恒导磁铁 基非晶，以AI-50（带有间隙）为代 表，具有高饱和磁感、高线性磁导 率、低高频损耗、良好的频率特性 和温度稳定性。适用于高频滤波扼 流圈、差模滤波器。另一种非晶态 软磁材料是CA钻基非晶，以CA-L为 代表的高频低损耗磁芯，适用于高 频开关变压器。 17
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谢谢观看
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金属磁粉芯与磁性材料，由于金 属软磁粉末被绝缘体包围，形成分散 气隙，因而大大降低了金属软磁材料 的高频涡流损耗，使磁粉芯具有抗饱 和特性和宽的频率响应，适合于制作 谐振电感，功率因数校正电感、输出 滤波电感、EMI抗干扰电感。 其特点：饱和磁感应强度高，能工 作于大电流下，性能稳定可靠，磁导 率具有优异的频率特性，线性温度系 数，环形结构具有极低的电磁辐射， 15 机械强度大，可直接绕较粗的漆包线，
它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐 排列。
剩余磁感应强度：是磁滞回线上的特征参
数，H回到0时的B值 。
磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与
H的比值，该数值与器件工作状态密切相关。
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居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度
升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消 失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。 它确定了磁性器件工作的上限温度。 初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率 μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导 率μp。
Байду номын сангаас
铁氧体
低 一般 低 低
磁芯粉
一般 低 高 较高
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硅钢 金
高
低
低
高
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磁性材料主要是指由过渡元素铁、钴、镍及其 合金等组成的能够直接或间接产生磁性的物质. 磁性材料从材 质和结构上讲， 分为“金属及 合金磁性材料” 和“铁氧体磁 性材料”两大 类，铁氧体磁 性材料又分为 多晶结构和单 晶结构材料。
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磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的， 在外加磁场H 作用下，必有相应的磁化强度M 或磁 感应强度B，它们随磁场强度H 的变化曲线称为磁 化曲线。
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2. 软磁材料的常用磁性能参数
饱和磁感应强度：其大小取决于材料的成分，
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超微晶软磁材料，首钢冶金研究所 的铁基超微晶磁芯已应用在航天电源产 品中，FUM低损耗类，具有高频损耗低 高饱和磁感用强度，低矫顽力的特性， 工作频率在1-300KHz；适用于高频变换 器、逆变器、开关变压器。FUZ高矩形 比类，具有高饱和、高导磁率、高矩形 比的特性，适用于高频磁放大器，磁开 关尖峰抑制器。FUL低剩磁类，具有高 脉冲磁导率、低损耗、低剩磁的特性， 适用于单极性脉冲变压器，开关电源、 16 斩波器。 本 活 动 奖 品 由 Q 衣 族 提 供
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铁氧体磁性的主要特点是电阻率远大 于金属材料，这抑制了涡流的产生，是铁 氧体磁性能应用于高频领域。按配方把高 纯粉状的氧化物混合均匀，在经过煅烧， 粉碎，造粒，模压成型，在高温（10001400℃下烧结而成）低损耗FP系列磁芯 适用于开关电源中DC/DC变换器的主变压 器和输出平滑滤波扼流圈；高磁导率FH 系列磁芯适用于开关电源中脉冲变压器和 噪声滤波电感。
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从应用功能上讲，磁性材料分为：软磁材料、 永磁材料、磁记录-矩磁材料、旋磁材料等等种 类。 磁性材料从形态上讲。包括粉体材料、液体 返回 材料、块体材料 、薄膜材料等。
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磁性材料现在主要分两大类，一类是软磁，一类 是硬磁；
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在我们的日常生活中， 磁性材料也是无处 在．以汽车为例， 从启动机到电动车窗、 雨刷器等等，一辆汽 车要用数十个大大小 小的电动机，而要制 造电动机，需要大量 的永磁材料作为定子、 软磁材料作为转子；
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开关电源中用到的磁性元件有高频扼 流圈，开关变压器，磁性放大器，脉冲变 压器，过滤电感等，这些磁性元件所选用 磁芯材料直接影响着开关电源的效率和性 能。开关变压器是开关电源的核心元件之 一，选择合适的磁性材料是开关变压器设 计的关键对应不同工作状态的开关电源变 压器，由于磁芯工作在磁化曲线的不同区 域，应选用相应特征的磁性材料。开关变 压器的主要目标是提高效率，降低损耗， 而磁芯的损耗主要由于磁滞损耗和涡流损 耗造成。 5