平面型磁芯的设计
Mark A.Swihart, 资深应用设计工程师，Spang & Company公司磁学部 刘波 译
爱默生网络能源有限公司
本文详细论述了有关平面铁氧体磁芯的磁性设计。包括标准尺寸和 外形;材料的选取，功率的控制;气隙开槽;装配;设计难点;原 始设计以及发展情况;磁芯的制造以及特殊应用等。
随着开光电源的小型化和功率密度的提高，平面电感变压器的应用越来越广泛，很明显，在平面磁芯中以下的特点是最重要的:在许多应用中，保持功率变压器和电感器较低的高度是很有好处的。在印制板中安装高度最高的常常是磁性器件。不过，保持磁芯器件较低的高度并不仅仅是平面磁芯在功率磁芯器件中的大量应用的唯一原因。平面磁芯的设计在降低漏感;极好的可重复性性能;较为经济的装配工艺;机械完整性以及极好的散热性能方面也都有极好的表现。
简单的说，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，较长的磁芯组成。这一结构形式与通常带有柱状绕组的长腿的宽度较窄的磁芯设计有很大的不同。平面磁芯在很低的外形上有很大的方形面积，而传统的磁芯则是圆形立体容积。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芯卷绕形成。
发明背景
法拉第法则在磁芯设计中有如下表示形式 ,8 法拉第法则:V=4.44N*Ae*fs*B*10 注: V——表示感应电压(单位为伏特) 4.44——表示正弦波的系数因子
N ——表示线圈的匝数 Ae ——表示有效的磁路截面积 f ——表示电磁频率 B ——表示最大磁感应强度
既然到目前为止，还没有更好的低损耗，高电流密度，或抗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，能够明显缩小磁芯尺寸的方法就是提高电磁频率。提高磁芯工作频率的关键前提是铁氧体适于工作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，这就意味着与低频相比较，磁芯尺寸相对微型化。
但是，在实际情况下，开关频率是有一定上限的。开关管的损耗和磁芯的损耗以及寄生参量都对磁芯器件直立式安装的设计频率的提高造成了影响。由于受法拉第法则中所有参数的限制，磁芯的体积或多或少的被固定下来。这促使设计师们考虑通过在PCB板上扩展磁芯的空间范围来取代传统的在很小的范围上安装的直立式安装方式。
规则的几何形磁芯
最常提及的平面磁芯是E型磁芯，图一展示了平面型E型磁芯与传统的E型磁芯的结构差别。很容易看出，平面型磁芯通过增大平面面积大大扩展 了磁芯的体积，并降低了高度。
图一
(a)平面E型磁芯.(b)传统E型磁芯.(c)与平面E型磁芯相同制作方法的平面型I型磁芯
近年来，有关平面磁芯的工业标准已经逐步建立起来了，虽然铁氧体供应商提供了一些独有的磁芯元件，并且许多设计者利用这些元件也开发了一些具有特殊应用的设计，但是大量的通用尺寸逐步形成。IEC标准中60860号关于“低外形铁氧
体磁芯的尺寸规范”被广泛采用。表1列出了标准E型平面磁芯的尺寸数据，对于每一个E/E型磁芯，都有相对应的E/I型磁芯，称为E/PLT(for plate)。对于E/I型磁芯，内部高度仅指D，而不是2D，总的高度为2B-D。
A B C D E F Ae le Core mm mm mm mm mm mm mm mm E/E14 14.00 3.50 5.00 2.00 11.00 3.00 0.147 2.07 E/E18 18.00 3.98 10.00 1.98 14.00 3.98 0.401 2.42 E/E22 21.60 5.72 15.90 3.18 16.50 5.08 0.81 3.21 E/E32 31.75 6.35 20.32 3.28 25.40 6.35 1.29 4.17 E/E38 38.10 8.26 25.40 4.45 30.48 7.62 1.92 5.28 E/E43 43.18 9.53 27.90 5.46 35.05 8.13 2.27 5.75 E/E58 58.40 10.55 38.10 6.50 51.10 8.10 3.10 8.07 E/E64 64.00 10.20 50.80 5.10 53.60 10.20 5.19 6.97 E/E102 102.00 20.30 37.50 13.13 86.00 14.10 5.40 14.80 图表1.E型磁芯工业标准。尺寸参照图1(a)
平面型几何外形不仅仅指E型磁芯，还有许多其它种类的低外形产品也已经生产出来了。它们包括PQ型，RM型以及罐形磁芯等(图2和图3)。这几种类型磁芯有以下优点，一是由于磁芯中间磁腿和边缘四周都呈圆形，可降低
铜线的每匝长度，从而降低铜损。ER系列磁芯是中间腿呈圆形的E型平面磁芯(如图4所示)。另一优点是能够充分利用PCB上的空间，尤其对于RM型磁芯，可以设计成正方形形式。
低外形类的标准磁芯的最有意义的优点是初期样品的制作相对容易的多。整个磁芯用机械加工到平面磁芯的高度，一旦最佳高度确定下来以后，就可以通过步骤简单的标准的工模夹具来进行大批量磁芯的生产。
IEC标准61860号除了包括E/Es和E/Is类平面磁芯以外，也将会包括RM和ER平面磁芯的标准分类。
图2:PQ型——标准和平面型 图3:RM型——标准和平面型
平面型磁芯的设计
