平面型磁心的设计.doc

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平面型磁心的设计

平面型磁心的设计 黄志芳 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组件,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:多层叠层PCB板;独立支撑的多层板;整体板;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

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