平面型磁心的设计

Desiguing with planar ferrite cores

随着开关电源的小型化和功率密度的提高，平面电感器和变压器的应用越来越广，在许多应用中，保持功率变压器和电感器较低的高度很有好处。在印制板中安装高度最高的常常是磁性器件。不过，保持磁心器件较低的高度并不仅仅是平面磁心在功率磁心器件中的大量应用的唯一原因。平面磁心的设计可降低漏感；可重复性极好；装配工艺较为经济；机械完整性极好；散热性能方面也都有极好的表现。
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心组成。与通常带有柱状绕组的长腿的宽度较窄的磁心设计有很大的不同。平面磁心外形很低，有很大的方形面积，而传统的磁心则是圆形立体形。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心卷绕而成。
1 发明背景
法拉第法则在磁心设计中表示如下：
法拉第法则：V=4.44NAefsB10-4
式中：V——感应电压（Vrms），4.44——正弦波形系数，N——线圈匝数，Ae——磁路有效截面积（cm2），f——频率（Hz），B——最大磁感应强度（T）。
既然到目前为止，还没有更好的低损耗、高电流密度、或高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，能够明显缩小磁心尺寸的方法就是提高频率。提高磁心工作频率的关键前提是铁氧体适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，与低频相比，磁心尺寸相对小型化。
实际情况下，开关频率有一定上限。开关管损耗和磁心损耗以及寄生参量都对磁心器件直立式安装提高设计频率造成影响。由于受法拉第法则中所有参数的限制，磁心体积或多或少的被固定下来。促使设计师们考虑通过在PCB板上（和通过PCB板）扩展磁心空间，来取代传统的安装空间很小的直立安装方式。
2 磁心状几何形
最常用的平面磁心是E型磁心，图1展示了平面E型磁心与传统E型磁心的结构差别。很容易看出，平面型磁心通过增大平面面积大大扩展了磁心体积，并降低高度。

图1(a)腿都为圆角，还可以逐步降低高度，变为图1(c)的I型磁心。

近年来，平面磁心工业标准已建立起来，虽然各个铁氧体供应商提供了一些独有的磁心元件，并且许多设计者在实际应用中也开发了一些特殊磁心，但是大量的通用尺寸逐步形成。IEC标准60860号关于"低外形铁氧体磁心的尺寸规范"被广泛采用。表1列出了标准E型平面磁心的尺寸数据，对于每个E/E型磁心，都有相对应的E/I型磁心，称为E/PLT（片型）。对于E/I型磁心，内部高度仅指D，而不是2D，总的高度为2B-D。



平面型几何外形不仅仅是E型磁心，还有其它种类低高度产品也已经生产出来。包括PQ型、RM型以及罐型磁心等（图2和图3）。这几种类型磁心有以下几个优点，一是由于磁心中间腿和边缘四周都呈圆形，可降低铜线的匝长，从而降低铜损。ER系列磁心是中间腿呈圆形的E型平面磁心（如图4所示）。另一个优点是能够充分利用PCB上的空间，尤其对于RM型磁心，可以设计成正方形形式。
低高度标准磁心的最有意义的优点是制作初期样品相对容易的多。整个磁心用机械加工到平面磁心的高度，一旦最佳高度确定下来以后，就可以用简单的标准模具来进行大批量磁心的生产。
IEC标准61860号除了包括E/Es和E/Is类平面磁心以外，也将会包括RM和ER平面磁心的标准分类。
3 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
1）多层叠层PCB板
将配合磁心外形和端子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。
2）单个标准多层板
将仅仅由平面绕组组成的单个PCB板按磁心外形和和端子进行加工。磁心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。
3）整体板
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心中间臂和两边的侧臂的开口。磁心沿PCB板装配，高度同时沿顶部和底部延伸。可能出现其它方面的限制。如果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，其余部分整合到板上。
4）导线
不容忽视的是设计平面型时未对PCB上导线图形进行相应的设计，这会使PCB印制电路绕组的性能和漏感指标达不到要求，从而也大为提高装配成本，不过，在高度和热设计性能方面的优点还是存在。电磁线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，不能按通常的方法改变，因此同一批产品的性能一致性非常好。绕组漏感和邻近效应都很低。通过交替绕线方式（初级-次级-初级），线圈典型的漏感值可降低到1%甚至0.1%。不过交替绕线方式也有电容耦合以及装配复杂的缺点。设计时要把它们的影响考虑进去，在谐振电路设计中可以充分利用电容效应。
批量生产时，平面型设计可降低生产成本。与传统的线绕式线圈相比，PCB印制线式绕组制造更加自动化。一些生产工序被简化或取消，这是由于磁心的装配完全整合到PCB板上，同时，还可节省焊料和硬件成本。
PCB印制线要达到数百匝线圈仍然是一个问题，幸而，PCB印制线型线圈的最典型应用是电源，线圈匝数通常都比较低。采用使用过的电路拓扑，要附加上复杂的检测绕组器或复位绕组。更实际的问题是要确保PCB印制线中公共交叉部分的覆铜截面必须达到能通过满载电流。
4 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或是否常用。有几家制造厂能生产出性能优异的功率磁心材料。每一家的设计目标都是在实际的频率和温度范围内对其进行优化，而且，材料特性与磁心几何形状无关（只有热反应性能与磁心形状有关）。
平面磁心的设计对提高磁通密度大大优于传统、单一的设计方案。有一些磁心设计是在铜损和铁损进行折衷设计。换句话说：采用匝数较多的线圈，可以使磁心磁通密度和损耗较低；而采用匝数较少的线圈可以使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有利于总损耗的降低，所以，更倾向于采用比传统设计较高的磁通密度。
由于平面型几何外形的磁心，相对总体积窗口较小，所以绕组空间有所补偿，对于PCB印制线绕组，由于被覆铜填充的窗口的最大实际比例比传统绕线低，因此，线圈匝数能保证最少。与此同时，平面型磁心比表面积较高。特别有利于热，由表面逐渐向更大的外部空间扩展。通常，磁心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，平面铁氧体表面大，也便于装散热器或风冷散热。
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通密度，比其他方法更可以获得较小的体积或者较高的电源效率。
例如，表2 是在相同尺寸下一种平面磁心（E/E32）与传统的方腿E型磁心（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，它是指带各种线圈骨架的叠层硅钢片，而铁氧体磁心与叠层无关。铁氧体是按绕组骨架来决定大小的，所以仍保留叠层尺寸。）

从表2中不难发现，与传统型磁心相比，平面型磁心的窗口面积更小。窗口面积比磁心截面的一半还低。窗口面积相对较小，更要考虑充分利用导体，即使在很高的磁通密度下也是如此。平面型磁心的外露表面积大大增加，能更有效的辐射更多的热量。即使平面型磁心截面和总体积比传统型磁心更小，仍然能设计出同样性能优越，高度更小的产品。
平面型磁心的潜在优点还在于它的机械完整性。应用在有冲击或振动的地方，传统型磁心又高又重，由于受力大使得它特别容易受到损伤，相反，平面型磁心重心靠近甚至直接在PCB板内部，所以耐冲击或振动。不过，对平面型磁心也要折衷考虑。平面型磁心对机械和热冲击比较敏感，而传统磁心则相对结实一些。质量相同的磁心，平面型磁心的截面显得较薄。
当磁心工作于现在的高开关频率下时，磁通密度受损耗的限制远大于受磁饱和的限制。平面型磁心可工作在较高的磁通密度下，但是仍然要使磁心损耗必须限制在保证一定的总转换效率和温升范围内。有一个不太明显的事实，就是对给定的电压、磁心和绕组，提高开关频率能够降低磁心损耗。
平面型磁心的标志性特点是绕组缺乏足够的灵活性。传统型磁心，如果磁通密度太高，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通密度，那就是提高开关频率。铁氧体磁心在典型的开关频率下，由磁通密度B太高引起的损耗指数远远高于开关频率f提高造成的损耗指数：
磁心损耗=a(fc)(Bd)，这里d＞c；同时，对一个给定的结构（f×B)=常数，所以，由以上公式可看出，增加频率更有利于降低磁心损耗。
5 开气隙槽
功率电感器中，通过开气隙来保持预期的电感量，同时也保证在设计的电流和温度范围内磁心不会饱和。平面型磁心在经过预防处理之后，特别适用于电感器。
磁心所开的气隙，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长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，寻找最佳气隙要反复调整。铁氧体厂商提供的直流偏置下的特性曲线，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。重要的是一定要记住偏置曲线下跌时对应的温度，因为环境温度的升高，铁氧体的饱和点相应下降，所以平面型电感器的温升是关键考虑的问题。
开气隙的电感器，边缘损耗比较严重，尤其对于平面型磁心来说，更为严重。磁心中间臂磁通，气隙周围存在严重的边缘效应，或者呈弯弓状扩散，进入绕组空间。公共磁通进入导线绕组，形成涡流，消耗能量。如果绕线不是圆形电磁线而是平面覆铜线，并沿着边缘磁通的方向放置，涡流效应会更加严重，甚至会带来灾难性的损耗结果，补救办法是减小气隙长度；使导体绕组尽量远离气隙区域；也可用E/I型磁心，就使气隙不在绕组的中心位置。所有这些方法都会对磁心饱和性能、尺寸、漏感等造成一些负面影响，所以设计时必须综合考虑。
在大多数情况下，对电感器测量开气隙磁心的电感（AL），比测量磁心气隙长度更有可重复性。制造中心通过测量电感参数来确定气隙长度是否合适，而不是直接测量气隙的长度，不仅仅是因为电气参量比尺寸测量更精确，还因为电气测量能够反应材料磁导率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AL的测量时实际上是以印制线进行测量的。供应商的测试骨架与那种低匝数电感器测试操作不同，因此，通过测试参数AL计算出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骨架的变化小，所以一旦相互关系确定后，就不再变化。
当要求气隙小于0.02”时，平面型磁心尺寸，允许铁氧体制造商比工业标准有±3%较大的公差，这是由于平面型磁心，要求沿较宽的中间臂方向磨成统一的平面这一难点的原因。
6 装配
围绕绕组进行磁心装配有几种不同的形式。
有一些平面磁心带有凹槽和夹子，安装时不会增加总体高度，这是一种很吸引人的原型，适用于多种产品。缺点是夹子成本、制造的复杂性、装配工作强度以及在整板上的装配难度等要增加磁心成本。
平面磁心以带状进行装配，也很方便。这种形式已用在特殊的新生产线中，希望磁心能无损装配。
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。功率铁氧体磁心正面紧密配合的粘合，对磁心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，成本最低的大批量生产。
一些设计者为平面型磁心设计专门的安装夹件，解决特殊的机械形状或散热器问题。
7 设计中应注意的危险问题
为了预防前面提到的开气隙磁心的设计问题，必须对平面型磁心结构中的一些潜在危险有所了解。
1）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，平面型设计主要用在大电流，高频率条件下，交流铜损可能很大。
2）实际覆铜截面
过高估计窗口中的覆铜填充量，很容易导致电流密度超过预期值。必须针对不同的印刷线路板材、绝缘性能、机械强度等参数对导线来填充的窗口空间大小进行分配。
3）绕组引出线
设计中，平面绕组输入和输出引出线的连接是很棘手的，这一点如果处理不当，就会成为寄生参数来源和增高的绕线电阻，引出线电阻使大多数高频绕线电阻增大。
4）机械完整性
尤其对于平面型磁心，由于温度漂移很大是正常的，所以一定要注意在磁心、散热器、压板、粘胶和PCB板之间的散热系数的大小。铁氧体磁心的散热系数很低，为10-11ppm/℃，同时，铁氧体磁心易碎，铁氧体磁心属于陶瓷材料，以及平面型磁心是扁平型，剖面又薄，不像几何形状紧密的物体那样易于吸收应力。
同时，磁心必须避免热冲击，铁氧体磁心的升温或冷却速度不能超过每分钟5到10℃，否则就可能碎裂。焊接和加工时务必当心避免热冲击。
5）热量失控
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升高，一定要确定最坏条件下磁心损耗以及磁心损耗对温度的变化曲线。如果磁心损耗在不断升高的某一温度点上迅速升高，在这种条件下，热量就会失控。
6）尺寸限制
在设计中必须将最大可能尺寸的印制线绕组安装在最小可能尺寸的磁心上。铁氧体磁心供应商手册上标明的参考尺寸典型公差为1-3%，之所以有以上的公差，是由于铁氧体磁心烧结时产生收缩，结果使成品尺寸在控制范围内产生一定分布性。同一批次产品尺寸偏差不会太大，不同批次产品，尺寸变化比较大。
8 原型及派生产品
设计新的平面变压器或电感器的最佳捷径，当然是用现有标准磁心进行设计，不过设计者为了尽最大可能充分利用每一点空间，就产生了特殊的磁心。绝大多数平面E型磁心的磁腿都是倒圆角的（如图1（a））。除了可充分利用PCB板空间之外，既然是倒了圆角，倒角的铁氧体磁心高度就可以由生产商进行调整。一些中间腿截面为圆形的磁心，也是通过压缩腿的高度，来调整磁心的高度（如图2，3和4所示）。另一种压缩腿的方式是从磁心侧边进行，这时，磁心可调整的参数是宽度，而不是高度。
标准磁心派生的低高度变形，最初原型是从标准磁心配合面（或从背面方向，如果需要的话）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，并且需要量大的话，制造商便通过将磁心降低到适当高度进行大批量生产。显然，对制造商来说，尽早确定磁心高度和产量是极为明智的。
对某些要求，现成的磁心并不都合适，关键在于用新磁心能否保证生产周期和控制新铁氧体磁心模具的生产成本。基于以上原因，采取的策略，是在新的磁心模具确定以前，利用原型磁心进行尝试。图5表示标准E型磁心通过扁平表面切割形成平面E型磁心。

最后，对以上的派生产品过程作一个简单的回顾。一些公司对平面变压器和电感器进行专门的分类。 从多方面考虑，在众多标准或通用产品供应商中挑选出其中一个，也许是最高效的策略。
9 特殊应用
本篇文章主要集中在对功率磁心和标准的平面型磁心几何外形方面，但是对于平面型磁心来说，还有其它的应用和其它获得低高度的方法。
1）平面磁心取代低损耗高磁导率铁氧体用于共模电感和宽带变压器，具有漏感低，可重复性好，装配成本低，以及高度低（自身特点）的优点。与环形磁心相比，主要缺点在于它始终存在粘结面，即使粘结面被磨到象镜面一样的光滑，粘结面的气隙仍然会降低电感量。
与标准型磁心相比，平面型磁心也有它的电气性能优势。电感量是与交叉部分和路径的长度之比成正比的。表3是对表2所示两种磁心AL值的比较。从表3可看出，它们的区别很明显，不过平面型磁心的使用有严格限制，因为平面型磁心只有一半的窗口面积，制作高电感量极为不利的，增加电感量会增加绕组的面积，这是它一大缺点。

2）对低高度环形磁心的兴趣与日俱增，尤其在外径低于1/2”的用于直流变换器的环型磁心。平面E型磁心的高度在压型时调整，而环形磁心不用新模具就可以降低磁心的高度。可以制成很薄，只要磁心烧结前在模具中没损坏，那么烧结后就不会变形。
3）还有其它用于低高度设计的几何形状的磁心，也不算特殊的平面型磁心。EFD型磁心是最流行的类型（图6），由于磁心中间臂偏移使线圈下降，磁心下面空出可用的空间。


参考文献
Magnetics 公司技术资料，FC-S8，2001年