常用磁性材料的基本知识

随着半导体技术的发展，电子器件的集成度越来越高，各种电子标准器件也越来越完善，各大芯片厂商给出的配套电路设计方案也越来越详细，使得硬件工程师们设计的电路越来越简单，所以硬件工程师的门槛也越来越低，自然地薪酬也越来越低。

但是，对于电源必不可少的磁性器件，却很难被标准化，因为市场需求的电源各式各样，输入电压电流、输出电压电流、高矮长短不尽相同，而现在的电源追求高功率密度，不可能用大变压器、电感用在小功率产品上，磁性器件生产厂家也不可能做出所有类型的磁性器件放到市场上去。所以这必须由工程师设计好，然后由磁性器件生产厂家生产。有大学教授预言未来电源硬件工程师的价值就更多地体现在磁性器件的设计能力。

一、常用磁性材料的基本知识

就当前的技术而言，每一个开关电源中必然会有磁性器件，它对电源的体积、效率等有重要影响。磁性材料有很多种类，特性各异，不同的应用场合有不同的选择。以下整理了几种常用的磁性材料。

表1.1 几种常用的磁性材料特性

（有些参数没有找到具体数值，知道的朋友在评论区告知一下哈！）

低碳钢：由于电阻率很低，导致其在高频时涡流很大，损耗大，发热厉害，所以只能用于低频场合，例如用于制作无源PFC的电感；

铁氧体：铁氧体的种类很多，由于锰-锌铁氧体价格较为便宜，并且磁导率可选范围大，涡流损耗较小，所以在几十kHz到几百kHz的频率范围内被用得最为广泛。磁导率在2k-4k的在变压器中运用广泛，磁导率>10k的多用于共模电感。

钼坡莫合金、高磁通：具有高饱和磁感应强度、直流叠加特性，温度稳定性良好，损耗很低，但价格昂贵，多用于不计成本的航空和军工产品。

铁硅铝：具有良好的高频磁特性，较好的温度稳定性，宽恒导磁率及低损耗、低成本，在输出电感、APFC电感得到广泛运用。

铁粉芯：具有高饱和磁感应强度，磁导率相对较小，能存储较大的能量，但具有较大磁滞回路面积，因此铁粉芯不适用于不连续电流的电感器或具有大交流磁通摆动的变压器中。

二、磁芯材料的参数特点

以上只是简单地介绍了三大类的磁性材料（钼坡莫合金、高磁通、铁硅铝和铁粉芯均属于粉末磁芯），大类下可以细分为很多种磁性材料，无法一一介绍。这里以最常用的TDK的Mn-Zn铁氧体材料为例介绍一下磁芯材料需要注意的参数特点。

在TDK品牌中Mn-Zn系列铁氧体中包括PC33，PC40，PC44，PC45，PC46，PC47，PC50，PC90，PC95等等多种材质。这些不同材质的铁氧体有不同的特性参数，如初始磁导率、磁芯损耗、温度特性等等。

种类太多了，下面主要以PC40、PC44、PC47为例进行介绍。

图Bs-T展示了PC40、PC44、PC47的饱和磁感应强度和剩余磁感应强度跟温度关系，可以看到磁感应强度PC47>PC44>PC40，并且它们的饱和磁感应强度和剩余磁感应强度都随温度的升高而降低，所以设计变压器和电感时应取高温下的饱和磁感应强度的80%-90%作为设计参数。

图Bs-T

图CLP-T展示磁芯损耗与温度（和频率）的关系，可以看到温度为100℃左右这三种铁氧体的损耗最小，所以作为工程师，我们设计电源时，并不能认为使变压器的磁芯温度越小越好，控制温度在该材质的损耗最小的温度处，可以使电源效率提高。

左图为100kHz频率下的损耗，右图为200kHz频率下的损耗，可以看到频率只是提高了1倍，但损耗却提高了将近10倍！！！PC40与PC47在100℃处的损耗差值由170kW/m3变为1300kW/m3，所以提高频率对磁芯材质的要求很高。

图CLP-T

但需要注意的是，并不是所有材质的铁氧体磁芯都是在温度100℃时损耗最小，如下图所示，PC46材质在46℃、PC45在80℃损耗最小。

通过铁氧体的磁感应强度的大小也跟损耗有关，通过的磁感应强度越大，磁芯损耗也就越大。

不同材质的铁氧体磁导率也不同，图ui-f展示了初始磁导率与频率的关系。在频率大于1000kHz后初始磁导率转折降低。设计超高频变压器、电感时需要特别注意选择磁芯材质的频率特性。

图ui-f

温度对磁导率的影响也很大，铁氧体材料一般在200多℃磁导率就会急速降低为零，该温度称为居里温度。这个在设计时需要特别注意，有些磁芯材料居里温度只有130℃左右，如HS10。

图ui-T

HS10--图ui-T

三、绕制线圈工艺对磁性器件性能的影响

影响磁性器件性能的因素除了磁芯材质外，与磁性器件的线圈绕制工艺也有很大关系。例如共模电感，很多时候，共模电感的感量越大，对EMI的抑制效果越好，所以为了获得更大的感量，我们会尽量地绕制更多的匝数，但有时往往会获得更差的EMI效果。

这是由于导线匝与匝之间的寄生电容引起的，寄生电容与电感形成谐振电路引起EMI变差。

图3.1 电感上的寄生电容示意图

图3.2 绕线方式导致寄生电容增大

使用金属箔做磁芯器件的绕线，由于导线面积的加宽，增大了匝间的寄生电容。

图3.3 金属箔匝间电容

变压器原边和副边的绕线方式对变压器的性能也有很大影响，下图中，变压器右边的折线图表示在变压器不同位置的线圈产生的磁动势（mmf），磁动势越大，“邻近效应”产生涡流损耗越大。此外，变压器还有一个很重要的参数——漏感，这参数对不同的电源拓扑会产生不同影响。采用线圈并绕方式，可以减小变压器的漏感。

图3.4 一、二次侧绕组结构不同的变压器