摘要：  磁路是开关电源的关键，介绍一心得和体会。

关键字：  开关电源，电磁，磁性元件，磁心开关电源，电磁，磁性元件，磁心

1 开关电源拓扑结构
通过高频地开通—关断脉动方波电流宽度的变化来达到转换电能的目的，从而取得合适的电压、电流等级及所需电能质量标准。如果输入输出之间要求隔离则至少要用到变压器，如果输入输出之间不要求隔离则要用到电感器（小功率时用电容器）。它们实质地进行了电—磁—电的转换。其电流变化ΔI在工作原理上反映在B-H磁滞回线上ΔH-ΔB的变化。其中ΔI是首先变化的变量。因此传送转换的能量是磁滞回线的基本磁化曲线与纵轴之间的阴影面积1。传送功率可以表示为：

式中，f为电流ΔI变动频率Hz；Ve为电磁转换所用的磁元件体积cm3；H为ΔI引起的磁场强度T；dB为磁通密度变量。
Ve磁元件可以是一种磁质的磁路，也可以是多种磁质的磁路，多种磁质的磁路最常见的是带气隙的磁心。为求得性能稳定可靠气隙中满填青壳纸或胶木板，可以说明在短短的气隙中容纳的能量比磁路中的大得多，因此加了气隙时可以在相同的ΔH变化下传递更大功率而显著减少开关电源的体积。因此普遍采用这种多种磁质的磁路。设计时一种磁质的磁路好处理；带气隙的磁路，有了两种磁质设计时很难处理。即使有相当理论深度者也不能掉以轻心。往往在没有深入做理论考虑就动手制作，一切希望推到现场调试解决的话，会引起意想不到的困难。笔者曾经用过制作得很好、工艺考究、工作点为1200A电流系统，电压440V的电抗器，直接用在现场调试。由于未作较精确计算，现场调试主要依靠改动气隙（垫上各种厚度的胶木板）改动电感值来解决问题，这时遇上各种实际问题，即使最后调好系统但稳定运行时的紧固方法不好解决，最后这个电抗器要推倒重来。
本文重点阐述带气隙磁路的设计方法，包括一些不常见到的磁参数歧义区别以及一些使用体会。
2 磁性元件分析
磁元件是为所有电工器材提供，高频开关电源磁元件只是系列簇群中很少的一部分。不远的过去磁件绝大多数都是针对市电(50Hz)或是MHz（无线通讯）低频和极高频。随着二十来年，电力电子变换技术呈显现节能缩体功效，才把工作在20kHz-MHz之间优良磁元件陆续研制出来。这样等于磁体系列上填补了空白。但是由于制造商不甚了解每个行业的具体要求，多数只能给出一般参数，而且这些参数测定条件都是特定的，不一定符合实际使用要求。例如，一般均无给出带气隙后的参数。其中很重要原因是气隙是由使用者直接确定的一个参数。
下面分析一下磁心的参数磁导率。
·磁导率
物质的磁性要用磁谱描述，广义地说物质磁性与频率的关系。狭义来说，磁谱是强磁性物质在弱变磁场中起始磁导率μo与频率的关系。磁导率有如下几种定义域：
(1)磁导率在静态下是一矢量。在多向异性的线性磁性介质的磁导率应用多分量形式方程组表达；
(2)在多向同性的线性磁性介质，磁导率是一标量或为一实数；
(3)磁导率在动态（交变磁场）下，μ不是标量而是复数；
(4)交变磁场还有偏磁（即恒定磁场）下磁导率又变为一个矢量，方向同向时，用复数来进行研究，下面只从工程角度说明一些概念。
磁导率是描述磁路B-H的参数，也是磁路上最重要的物理参数。由于B-H是非线性的，比值也就可以分段定义成若干个。这样虽让人眼花，但不能认为多此一举。下面作进一步分析。
我们定义真空为磁路时磁导率μ0=1为真空磁导率；某一材料磁导率与真空磁导率之比μr=μ/μ0为相对磁导率。首先基本磁化曲线开始段的斜率所确定的相对磁导率称为初始磁导率μi；基本磁化曲线上最大的磁导率μm为最大磁导率。曲线上任意一点磁导率μd为变化磁导率。上面所提的相对磁导率是在相等的磁场强度下，某一材料磁感应强度与真空中磁感应强度之比，即μr=B-B0。所有上面μ值，均有明确唯一的数值（在所示测定条件下）。一般常用磁路的μm》1。
·有效磁导率
当磁路中是μ略大于1的材料，例如白金、空气，称为顺磁材料；比1略小的材料，例如铜、银称为反磁材料。当常用磁路有（可离散地，为铁粉芯；或集中地，为气隙），两种磁导率μi和μ0，这种磁路的磁导率为何称呼呢？称为有效磁导率μe。这两种材质构成一个磁路的基本磁化曲线，必然异于他们中的任何一种曲线。这种基本磁化曲线开始段的斜率所确定的相对磁导率称为有效磁导率μe，表示为μe=μ-| μ0/k |，k表示气隙长短相关系数，可见μe<μi。
设气隙长度lg《l，l为磁心有效磁路长度，带气隙的磁路有效磁导率，近似计算公式：

有了带气隙磁心损耗因数及等效电路图，可以列出复数磁导率μ
μ=μi(1-jtanξs)=μ'-jμ"
从厂家提供的μi=f (f)和μi(jtanξs)=f (f)或磁谱曲线[8] 图4是某一磁材磁谱曲线，对磁性性能作全面的了解，结合此损耗，性能因子，温度稳定性等等，从而对磁件的材质、形状、大小、重量作出全面正确的选择，在此不作进一步讨论。
三、为了制作开关电源的变压器或电感器选择磁心，必须对磁心概况有深入了解。磁心按历史发展过程分为三类。金属—铁粉心—铁氧体。以前电机、变压器是工作在工频50Hz。此时用高磁导率、高B值金属作铁心很合适，随着工作频率提高铁心产生大的涡流。因此用这种金属粉末与绝缘材料在不同比例下混合压制成形，经烧结成硬体磁心，这就统称为铁粉心；随着科技的不断发展，上世纪中页开发了新一类的磁心称为铁氧体，它宝贵的优点是有较高的磁导率、电阻率，其值比铁粉心高出很多，在103～106Ω·cm范围内，这样就为缩小体积高频化工作场合提供了既廉价又有较好电磁特性指标的磁心，但不足之处是Bs值低，传递功率不及前面二类磁心。如此说来，80年代后风行的高频开关电源功率不大的变压器。电感器较适合用铁氧体。所以总体而论，金属—铁粉心—铁氧体排列顺序体现了功率处理越来越小，工作频率是越来越高，允许放置的地域空间也是越来越小。近年来其中非晶纳米晶多种金属粉末混合的磁粉心出现许多新的特色，显示了不可替代的活力，引起人们不少的关注。但在性能稳定上还有待改进。
四、值得指出我国磁心制造业虽然起步较晚，但是已执行与国际接轨的自定的国标，而且工艺方面特色显著，开关电源使用方面在扼流圈、磁珠、防雷、抗EMI、EMC等处磁元件非常之多。其中国产的高频稳定铁粉心，非晶粉心、铁氧体达到相当高的技术指标。例如上海钢铁研究所的高频粉心工作频率在1kHz～1MHz，电感变化量为0.77％，100kHz时的Q值是钼坡莫粉心的8倍。我省珠江三角洲地带多家合资企业产品在国际上有很高的地位。再如浙江省东磁公司致力从事新型磁性材料与器件的研发，产品产业化孵化、磁材检测体系标准化。为此设立研究院投资6000万元。已研发的有用于LCDPDP的电源变压器MnZn铁氧体DMR90（表1）。使用一般开关电源变压器液晶显示背投电源变压器的DMR95（表2）适用输出滤波电感的DMR24（表3）适用于便携设备（非背投照明）开关电源变压器的DMR46（表4）有可工作2.5～5.6MHz的高频软磁低功耗材料DMR51（表5）还有抗EMI用DNl502铁氧体材料（表6）。
五、开关电源磁元件-电参数处理的几点体会。
(1)磁损耗铜损耗及附加损耗是影响效率关键。在磁损耗方面决定了ΔB值需慎重。选择磁心材质方面也重要。铁氧体和磁粉心的磁损耗，一般前者很小，后者很大。用的工作频率也很重要，甚高频时（大于100MHz）铁氧体磁损也要经数值计算。在大纹波电流也如此。
(2)在选择导线及铜损耗方面，温度系数要考虑进去。一般所给是20℃下的直流电阻，工作升温后电阻会增大。一般按0.43％/℃速率增加，例如，当80℃时直流电阻值比20℃时上升了34.3％。
(3)在扼流圈后面交流纹波仍不合要求时可以再设置第二级滤波器。这时一般采用开口状磁棒磁心。这意味着有大气隙尺寸，可以防止大直流电流下棒的饱和。选用铁粉棒状磁心有成本低的好处，而且一些初始磁导率的铁粉心也可适用，因为气隙大的缘故。
(4)当出现EMI、EMC问题时，把铁氧体改选为铁粉心是个可试验的方法。由于铁粉心气隙分布在磁路全程中，从而相对磁场干扰就小很多。但注意到这种材料高频损耗较大（相对铁氧体而言）使用时，可以绕成单层绕组，目的是减少绕组间的等效电容，从而减少绕组两端寄生的交频噪声，使电压波形、电流波形更符合理论值。在改为铁粉心后，如允许降低些工作频率运行，减少高频磁损耗。这时降低ΔB摆幅值，或B值均有异曲同工之效。
(5)环形磁心由于机械强度保证的需求往往截面积稍大一些，这就直接影响到环形磁心的窗口面积，加上批量生产环形绕组绕线由绕线机进行，会剩余较大窗口面积（手绕线除外）。
(6)因此环形磁心温升验证容易过关，决定选择环形磁心的条件是磁的性能。这一点与通风不良的E形磁心温升是选择的条件是截然不同的。
(7)磁滞回环的非线性特性磁心用在扼流圈时，使得小信号动态电感值减少，为了不减小一般引入气隙。气隙在此有使之线性化作用。但是在某些场合，人们不希望是线性化的，而且有非线性化功能。例如设计摆幅扼流圈。这种扼流圈在小负载时L值上升，使小负载时电流波形连续，系统运行容易稳定；中负载大负载时L值下降，有利于减小扼流圈的体积；过负载时仍有极低的L值，这样可以使磁心不饱和，系统有一定过载能力。在开关电源设计中优化法5表格法6和诺模图法4均是可行的。使用中各人均要摸石子过河，可以各有体会。但在文献4出版到现在，本人较推荐诺模图法，因为它涉及参数较多，使用非常方便。
参考文献
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[5] 张占松．高频开关稳压电源．广州：广东科技出版社．1992， 4.
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[7] 颜冲等．磁性材料开发进展．国际电子变压器．2007，2．
[8] 李荫远．铁氧体物理学．北京：科学出版社．1987．