高频磁放大器式开关电源用磁性元件的材料选择和设计

摘 要：本文介绍高频磁放大器式开关电源用磁性元件的材料选择和设计，包括脉宽调 制、噪声抑制和滤波元件。
关键词：磁性元件 材料选择 设计

1 前言

近年来，手机和个人计算机等便携式电子设备所用的高频开关电源，成为一个研究的热门话题。其中包括高频磁放大器式开关电源。以图1中所示的电压控制型磁放大器式开关电源为例，其中一般包括脉宽调制、噪声抑制和滤波磁性元件，本文对它们所用的磁性材料选择和设计作比较详细的介绍和讨论。
采用这些磁性元件组成的高频磁放大器式开关电源与采用半导体脉宽调制的高频开关电源相比，有以下特点：
（1）体积小。一方面是磁性元件不象半导体元件那样，要装散热器。另一方面是控制电路简单，元件数量少，占的印刷线路板面积少。更主要的是：逆变和脉宽调制不再是都由半导体元件承担，容易再提高工作频率到200kHz以上，从而使磁性元件和电容器等的体积再减少。现在，比较常用的工作频率为100～500kHz，开发中的工作频率已超过1MHz。
（2）效率高。与半导体脉宽调制的高频开关电源不同，半导体开关元件不必再进行脉宽调制，而只是处于固定位置开断和导通，比较容易实现软开关条件，损耗小。同时控制功率小。虽然从表面上看，功率要经过两次变换，效率可能低，但是实际上，由于有以上因素存在，总体效率并不低，而是有所提高。
（3）噪声小。不但二极管因串有噪声抑制磁性元件或者脉宽调制磁性元件，噪声小。同时磁性脉宽调制元件不会象半导体脉宽调制那样产生附加噪声。
（4）可靠性高。磁性元件不会因为瞬时尖峰电压和浪涌电流而损坏。有了噪声抑制磁性元件之后，还可防止半导体开关元件和二极管受到尖峰电压和浪涌电流的冲击而损坏。
（5）可实现多路输出。每个输出都由自己回路中的脉宽调制磁性元件进行电压调节，一般从空载到满载，可使输出电压稳定度优于±1%，同时互不干扰。输出电压可以是24V、12V、5V、3.3V，甚至更低。输出电流为1至30A。比较经济的高频磁放大器式开关电源输出功率为30～150W。也有低于30W的，也有高于150W，甚至达到10KW的。从成本上和性能上要进行具体比较和分析，才能决定是否选用高频磁放大器式开关电源方案。其中主要的因素也就是脉宽调制、噪声抑制和滤波磁性元件的材料选择和设计。
2 脉冲调制磁性元件
磁放大器在开关电源中起脉宽调制作用，将输入的矩形波电压分为由磁放大器承受和由负载承受两个部分，随着外加控制信号的改变，两部分的分配比例也发生变化。本文不详细介绍工作原理，着重讨论磁放大器，也就是脉宽调制磁性元件的设计问题。
2.1 脉宽调制磁性元件对铁芯材料的要求
在极限情况下（短路状态下），外加的电压基本上由脉宽调制磁性元件来承受，铁芯处于最大的磁滞回线上来回激磁和去磁，因此要求在工作频率和工作磁通密度下铁芯损耗要小。在另一种极限情况下，外加的矩形波电压基本上由负载承受，铁芯处于饱和状态，在磁滞回线上部来回激磁和去磁，由于矩形度不为1，存在△Brs=Bs-Br，饱和状态下的铁芯也要吸收一小部分外加矩形波电压的伏秒面积，这个伏秒面积是不可能经过脉宽调制后输出给负载的，一般称为死区。死区的大小决定于△Brs，要求死区小，也就要求△Brs小。
2.2 脉宽调制磁性元件铁芯材料的选择
适合于高频脉宽调制磁性元件铁芯用的软磁材料有晶体的高导磁铁镍合金薄带和薄膜，钴基非晶合金薄带和薄膜、纳米微晶合金薄带和薄膜等，下面分别介绍它们的性能，作为铁芯材料选择时的参考。
晶体的高导磁铁镍合金Ni80Mo5性能稳定，环境适应性好，各项指标优异，是低频和中频磁放大器主要选用的铁芯材料。但是，无论在国内还是在国外，100kHz以上的高频磁放大器中一直都没有选用它作为铁芯材料。我认为是可能有两种习惯的看法造成的。第一种习惯的看法是高导磁铁镍合金只适用于20kHz以下的低频和中频领域。现在已能轧制10～5μm厚的高导磁合金薄带，已突破了这种限制。例如5μm厚的Ni80Mo5高导磁合金，在Bm为0.1T条件下，500kHz时损耗为0.126W/g，1MHz时为0.392W/g，5MHz时为6.79W/g，10MHz时为23.1W/g，用于100kHz～1MHz高频磁放大器中可以达到非常优异的性能，Br/Bs一般都大于96%。第二种习惯的看法是高导磁铁镍合金主要成分镍价格贵，因此成本高于其他软磁材料。在高频下，这种看法也不成立，而且实际成本恰恰相反。先不考虑钴基非晶合金中的钴比镍价格更贵，单是考虑喷制18μm以F的钴基非晶合金薄带的工艺，就远远比轧制高导磁铁镍合金18μm以下的薄带更加困难。所以，对18μm以下的薄带，高导磁铁镍合金反而比钴基非晶合金成本低。至于纳米微晶合金，喷制和处理18μm以下的薄带，比钴基非晶合金成本更高。同时，由于在100kHz高频下，铁芯所用的软磁材料数量少，价格问题不很突出。可以大胆的建议：不妨用10μm以下的Ni80Mo5高导磁合金试制一下高频脉宽调制磁性元件的铁芯，很有可能得到意想不到的性能价格比的产品。从而摆脱由于生产手段限制，国内不能稳定生产钴基非晶合金和纳米微晶合金18μm以下薄带的困难局面。
Ni80Fe20高导磁合金0.6μm厚的薄膜，在10MHz至1MHz之间，损耗小，而且Bs从0.7T上升到0.95T，适用于1MHz以上的高频脉宽调制磁性元件。
钴基非晶合金薄带是现在国内外大量用于高频脉宽调制磁性元件铁芯的首选材料。20μm厚CoFeSiB非晶合金薄带，在100kHz和0.2T条件下的损耗为0.06W/g。20μm厚含Mo的CoFeMoSiB非晶合金薄带在100kHz和0.2T条件下的损耗为0.03W/g。含Cr的CoFeCrSiB非晶合金可以喷制18μm厚以下的薄带。14μm厚薄带，在1MHz和0.1T条件下的损耗为0.742W/g，3.8μm厚薄带的损耗为0.14W/g，在10MHz和0.1T条件下的损耗为1.022W/g。
日本东芝公司用于高频脉宽调制磁性元件的可饱和铁芯，采用钴基非晶合金。MS系列可饱和铁芯所用的合金带厚为17μm。在50kHz和0.1T条件下损耗为0.021W/g，在500kHz和0.4T条件下损耗为0.0.139W/g。MT系列可饱和铁芯所用的合金带厚为11μm。在50KHz和0.4T条件下损耗为0.0139W/g，在1MHz和0.2T条件下损耗为0.139W/g。与原来的MB系列可饱和铁芯相比，损耗下降辐度大，Br/Bs提高到96%左右，性能显著改善。
韩国AMOS公司的AMS系列可饱和铁芯，也采用钴基非晶合金。在50kHz和0.4T条件损耗为0.06W/g，在150kHz和0.1T条件下损耗为0.03W/g，在150kHz和0.4T条件下损耗为0.4W/kg。
德国VAC公司采用VITROVAC 6025Z钴基非晶合金制造可饱和铁芯。在50kHz和0.4T条件下损耗为0.065～0.075W/g，Br/Bs为96%～98%，在-25℃～+125℃工作温度范围内，损耗和Br/Bs变化不大，性能稳定。
已经有报导采用钴基非晶合金（CoZr和CoZrRe）薄膜，用于制造1MHz～10MHz下的可饱和铁芯，除了损耗小而外，饱和磁密Bs比钴基非晶合金显著提高。例如CoFeSiB合金1μm厚的薄膜，Bs为1.6T，远远大于CoFeSiB合金20μm厚的带材的Bs（0.58T）。
20～18μm厚的Finement型加Nanoperm型纳米微晶合金带材也适合于制作高频脉宽调制元件的铁芯。Finement型纳米微晶合金带材在100kHz和0.2T条件下的损耗为0.03～0.08W/g，Bs为1.2T左右。Nanoperm型纳米微晶合金带材在100kHz和0.2T条件下的损耗为0.04～0.08W/g，Bs为1.5～1.7T。它们的5～6μm厚的薄膜，可适用于1MHz～10MHz可饱和铁芯，与钴基非晶合金薄膜性能差不多，而Bs略高一些，可达1.72～1.75T。
2.3 脉宽调制磁性元件设计
为了便于批量生产，各个铁芯生产单位都列出铁芯的系列表，以便用户选用。以前这些系列表中，都列出铁芯参数（面积乘积）
，作为选取铁芯的依据。现在有些铁芯系列表中，列出能提供的磁通变化总量和窗口面积的乘积，在设计脉宽调制磁性元件时，更为方便。
在工作频率f和铁芯材料选定之后，从外加电压U的公式来看：
U=KNf△
当N不变时，U与名义铁芯截面成正比。
从电流Io的公式来看：
I=j9=jN9/N=jKwAw/N
当N不变时，I与窗口面积成正比。两式相乘，得：
UI∝。
因此，把作为铁芯参数，也就是在一定工作频率f和工作磁密B下，代表用这个铁芯组成的磁性元件的视在功率。
同样，从电压U的公式可以推导出电压U或者电压与导通时间的乘积UDon，与磁通变化总量的关系。
。
因此，磁通变化总量与窗口面积的乘积，也可以代表用这个铁芯组成的磁性元件的视在功率。
在选择铁芯材料，确定△BFe或△之后，根据已知参数和电路，就可以从铁芯系列表选取需要的铁芯。
在提供铁芯参数的铁芯系列表中，根据UI值来选取，但有时不一定合式，还需经过校算。
在提供的铁芯系列表中，根据E×Don/f=△，进行选择，只要
≥△×Io/kwJ，
一般都能满足要求，不需要校算。
匝数N=△/
导线线径d=2√Io/πJ。
设计基本完成。比采用铁芯参数要简化一些。如果考虑铁芯损耗和温升，可以引入系数进行修正。一般都是通过试验，求出额定负荷下的输出电压、电压稳压性能和铁芯的温升后，再进行修正。如果铁芯温升超标，可以增加匝数或者换一种截面更大的铁芯。如果导线铜损也高，必须增加导线直径，换一种窗口更大的铁芯。
3 噪声抑制磁性元件
利用串联在二极管或晶体三极管支路中的铁芯需要激磁能量，控制二极管或晶体三极管开关过零出现的电流和电压尖峰，延迟电流的变化速度，防止振荡，从而抑制二极管或晶体三极管开关时产生的噪声。这种噪声抑制磁性元件最早是由日本东芝公司开发出来的，用在高频开关电源中，可以显著的降低噪声和输出中的高频纹波。比采用阻容吸收电路的损耗小。而且采用的铁芯小，有的可以直接套在二极管或晶体三极管引线上，有的可以制成表面安装型元件，占用空间小。
3.1 噪声抑制磁性元件对铁芯材料的要求
噪声抑制磁性元件所用的铁芯材料，首先要求矩形比高，Br/Bs应超过95%，使磁滞回线垂直段与水平段对应的电感有显著的差别。其次要求磁滞回线有一定的包围面积，也就是铁芯磁化时需要一定的能量。但是，不能大，否则损耗大，发热严重，有可能超过允许的工作温度+120℃。工作频率越高，希望铁芯的磁滞回线包围面积越小。
3.2 噪声抑制磁性元件铁芯材料的选择。
以前有人对噪声抑制磁性元件铁芯选用软磁铁氧体持否定态度，那是受人误导而陷入误区。我认为：如果采用矩形磁滞回线软磁铁氧体作为噪声抑制磁性元件铁芯，也不失为一种较好的选择。虽然Br/Bs比较小，只有90%左右，但是软磁铁氧体的高频损耗小（主要是涡流损耗小），特别是价格低是其突出的优点。建议开发1MHz～500kHz高频开关电源的朋友不妨一试。
日本东芝公司的噪声抑制磁性元件的铁芯采用钴基非晶合金。分为磁珠和尖峰抑制元件用的两种。磁珠用铁芯又分为三种形式：（1）一般磁珠，尺寸为3×2×3、3×2×4.5、3×2×6及4×2×4.5、4×2×6、4×2×8几种。（2）带引线的磁珠，尺寸为4×2×8，有两种不同的引线方式：两边接线和一边接线。（3）表面安装型磁珠，尺寸为4×2×3。尖峰抑制元件的铁芯内径较大，可以绕几匝导线，尺寸为7×6×4.5，8×6×4.5、10×6×4.5、14×8×4.5。
韩国AMOS公司的噪声抑制磁性元件的铁芯也采用钴基非晶合金。磁珠铁芯尺寸为3×2×3、3×2×4.5、4×2×4.5、4×2×6。尖峰抑制元件铁芯尺寸为5×3×3、5.5×3×3、7×6×5、8×6×5、12×8×5、16×12×5。
钴基非晶合金价格贵，国内已开发出用铁基纳米晶合金的噪声抑制磁性元件，价格便宜一些，性能和用钴基非晶合金的基本上一致。某公司生产的噪声抑制磁性元件的铁芯尺寸为6×4×3、7×5×2、9×6×4、9.8×6.5×4.5、12.5×8×5、19×11×5、22×14×5、26×16×5。材料为钴基非晶或铁基纳米晶。为了适应薄形高频开关电源的需要，非晶和纳米晶磁性薄膜将成为新一代噪声抑制磁性元件的铁芯材料，主要为具有矩形磁滞回线的钴基非晶合金薄膜和Nanoperm型纳米晶合金薄膜。可以预测：在超过1MHz的高频开关电源中，为抑制噪声和保护二极管和晶体三极管不受电流和电压冲击，而得到广泛应用。
3.3 噪声抑制磁性元件设计
一般公司生产的铁芯系列表中都列出铁芯的磁通变化总量△。根据所需要吸收的伏秒面积或者来从中选择。
对磁珠，匝数N为1，只要：
△≥（U×trr），即可。
式中，U为被保护或被抑制元件的外加电压，trr为被保护或被抑制元件的反向恢复时间或关断时间。一般U≤12V，trr≤35ns。
对尖峰抑制元件，匝数N不为1，应当：≥（UItrr×1.5），式中，I为流过元件的电流，1.5为保险系数。
导线线径d≥1.5√I，
匝数N≥3Utrr/△，
式中的3也是保险系数。
设计后，应进行试验测铁芯温升，不得超过120℃。如超过，应换截面大的铁芯或者增加匝数。在试验中还应观察噪声抑制的效果。
4 输出滤波磁性元件
高频磁放大器式开关电源的输出，一般都含有以工作频率为基频的高次谐波，必须采用输出滤波磁性元件与电容器组成滤波电路来抑制和消除。其中还流过输出直流电流，与纯粹的交流滤波磁性元件不同，必须考虑有直流偏置下的磁导率或电感，或者必须考虑它的恒导磁特性。
4.1 输出滤波磁性元件对铁芯材料的要求
首先在一定恒导磁条件下的交流磁导率要比较大，这样才可能使铁芯和输出滤波磁性元件体积小。其次，交流磁导率保持一定数值的直流偏磁比较大，也就是恒导磁区比较大，才可能用于容量较大的高频开关电源。还有，本身的损耗小，发热小，温升低。
4.2 输出滤波磁性元件铁芯材料的选择
在工作频率超过20kHz，一般都不考虑选用硅钢作为输出滤波磁性元件的铁芯，更何况工作频率超过100kHz呢？
软磁铁氧体（镍锌铁氧体）是输出滤波磁性元件主要用的铁芯材料之一。但是它的磁通密度比较低，直流偏磁性能较差，主要用于输出电流小的高频开关电源。
铁粉芯吸取了软磁铁氧体损耗小的优点，采用纯铁或高导磁铁镍合金的粉末与绝缘粉末和粘结剂混合后压制成形，烧结而成。现在，又有用非晶合金或纳米晶合金制成的粉芯。直流偏磁特性好，交流磁导率根据粉末的成份而具有比较大的变化范围。现在成为输出滤波磁性元件采用的铁芯的主流。缺点是有时损耗较大，温升超标。
有气隙的非晶合金环形铁芯的损耗较小，而且在比较宽的恒导磁范围内，交流磁导率比较大。它适用于采用软磁铁氧体体积过大的地方，或者采用铁粉芯温升超标的地方。日本东芝公司和韩国公司都开发输出滤波磁性元件用的铁芯系列。国内也有一些单位生产这种元件的铁芯。但是，采用铁基非晶合金，使用频率将受到限制。使用纳米晶合金，其价格又较高。
现在，已有采用磁性薄膜的电感元件出现，将在500kHz～1MHz以上的高频开关电源中发挥输出滤波作用。电阻率高的颗粒磁性薄膜，以及最近出现的磁性复合纳米晶薄膜，其工作频率已超过100000MHz（100GHz），为更高的工作频率的滤波磁性元件提供最佳的铁芯材料。
4.3 输出滤波磁性元件设计
一般生产滤波磁性元件铁芯的公司要提供铁芯系列表，表中列出单匝电感AL和恒导磁范围。
先求出满足需要的电感L所需要的匝数：
N≥L/AL。
再根据安匝数IN和铁芯平均磁路长度校算是否在恒磁范围内？如果满足，即可用。
IN/L ≤Hc。
导线一般采用多股绞线，或者薄铜带，其截面计算时，电流密度不能超过2.5A/。
设计后，应将试制样品进行试验，测铁芯温升，不得超过允许值。测输出滤波后的纹波，不得超过允许值。如果超过，应增加匝数和增大铁芯窗口来解决。
5 结语和讨论
高频磁放大器式开关电源是一种具有独特优点的开关电源，其中起主要作用的是它采用的脉宽调制、噪声抑制和输出滤波磁性元件。本文对这些磁性元件的铁芯材料选择和设计进行了比较详细的叙述，供设计高频磁放大器式开关电源时参考。
有几个问题值得注意。首先磁性脉宽调制元件（有时称饱和电感）和噪声抑制元件，不管您愿不愿意，都要饱和，因此损耗相当大，应当在设计中包括热设计内容。但是缺乏它们的热阻数据。现在只得用样品试验后进行修正的办法来解决。其次，由于它们发热严重，因此保护外壳的耐温和绝缘都要选择相应的材料。保护外壳用陶瓷或者铝比较好。铝还可增加散热效果，为了防止涡流，可开一小气隙。有时，还需要再加散热片，使铁芯散热。还有，铁芯性能的一致性也很重要，便于在批量生产时不再对每个磁性脉宽调制元件进行调整。
顺便说一点的是：对“元件”和“器件”的划分，大家看法不一。本文采用“元件”一词的原因，是强调它们结构简单，除铁芯和线圈而外，就不要其他零件了。
要的作用，因为通讯变压器不是一个点频下工作的，既要照顾低频端，也要照顾高频端。因此，如果低频的THD指标尚差些，而高频端的却还有富馀量，说明材料的初始磁导率还嫌低些，损耗还嫌大些。反之亦然。
因为磁滞系数的计算中含有初始磁导率，如果初始磁导率没有测准，磁滞系数也就不准。而影响初始磁导率测试精确度的因素很多，其中测试电平的大小最为敏感。
目前，日本JIS C2561-1992标准中规定，测试初始磁导率的磁场强度为：
当＜4000时，H=0.4A/m ＞4000时，H=0.005A/m
上面已经讲到，瑞利区的B约在0.01--10mT范围内，目前世界上大多数厂商在选用0.1mT作为测试初始磁导率的测试电平。