1、很多电源工程师对开关电源中高频磁性元件的设计存在错误的概念，其设计出来的高频磁性元件不能满足应用场合的要求，影响了研发的进度和项目的按期完成。基于开关电源及高频磁性元件设计经验，对一些概念性错误进行了辨析，希望能给大家提供借鉴，顺利完成高频磁性元件的设计以及整个项目的研制。 关键词：开关电源；高频磁性元件；错误概念 1 引言 开关电源中高频磁性元件的设计对于电路的正常工作和各项性能指标的实现非常关键。加之高频磁性元件设计包括很多细节知识点，而这些细节内容很难被一本或几本所谓的“设计大全 ”一一罗列清楚 13。为了优化设计高频磁性元件，必须根据应用场合，综合考虑多个设计变量，反复计算调整。正由于
2、此，高频磁性元件设计一直是令初涉电源领域的设计人员头疼的难题，乃至是困扰有多年工作经验的电源工程师的问题。 很多文献及相关技术资料给出的磁性元件设计方法或公式往往直接忽略了某些设计变量的影响，作了假设简化后得出一套公式；或者并未交代清楚公式的应用条件，甚至有些文献所传达的信息本身就不正确。很多电源设计者并没有意识到这一点，直接套用设计手册中的公式，或把设计手册中某些话断章取义，尊为“设计纲领” ，而没有进行透彻的分析和思考，以及实验的验证。其结果往往是设计出来的高频磁性元件不能满足应用场合的要求，影响了研发的进度和项目的按期完成。 为了使电源设计者在设计过程中，避免犯同样的错误，为此，我们针对
3、在学习和研发中遇到的一些概念性的问题进行了总结，希望能给大家提供一个借鉴。 2 一些错误概念的辨析 这里以小标题形式给出开关电源高频磁性元件设计中 8 种常见的错误概念，并加以详细的辨析。 1）填满磁芯窗口优化的设计 很多电源设计人员认为在高频磁性元件设计中，填满磁芯窗口可以获得最优设计，其实不然。在多例高频变压器和电感的设计中，我们可以发现多增加一层或几层绕组，或采用更大线径的漆包线，不但不能获得优化的效果，反而会因为绕线中的邻近效应而增大绕组总损耗。因此在高频磁性元件设计中，即使绕线没把铁芯窗口绕满，只绕满了窗口面积的 25，也没有关系。不必非得想法设法填满整个窗口面积。这种错误概念主要是
4、受工频磁性元件设计的影响。在工频变压器设计中，强调铁芯和绕组的整体性，因而不希望铁芯与绕组中间有间隙，一般都设计成绕组填满整个窗口，从而保证其机械稳定性。但高频磁性元件设计并没有这个要求。 2） “铁损=铜损” 优化的变压器设计 很多电源设计者，甚至在很多磁性元件设计参考书中都把“铁损=铜损”列为高频变压器优化设计的标准之一，其实不然。在高频变压器的设计中，铁损和铜损可以相差较大，有时两者差别甚至可以达到一个数量级之大，但这并不代表该高频变压器设计不好4。 这种错误概念也是受工频变压器设计的影响。工频变压器往往因为绕组匝数较多，所占面积较大，因而从热稳定、热均匀角度出发，得出“铁损=铜损”这一
5、经验设计规则。但对于高频变压器，采用非常细的漆包线作为绕组，这一经验法则并不成立。在开关电源高频变压器设计中，确定优化设计有很多因素，而“铁损=铜损” 其实是最少受关注的一个方面。 3）漏感=1的磁化电感 很多电源设计者在设计好磁性元件后，把相关的技术要求提交给变压器制作厂家时，往往要对漏感大小要求进行说明。在很多技术单上，标注着“漏感=1的磁化电感”或“ 漏感TSSOE0199001 TSSOE0199002 IEC60194 （Printed Circuit Board designmanufacture and assembly-terms and definitions）IPCA600
6、F （Acceptably of printed board）IEC609505. 规范内容5.1 PCB 板材要求5.1.1 确定 PCB 使用板材以及 TG 值确定 PCB 所选用的板材，例如 FR4、铝基板、陶瓷基板、纸芯板等，若选用高 TG 值的板材，应在文件中注明厚度公差。5.1.2 确定 PCB 的表面处理镀层确定 PCB 铜箔的表面处理镀层，例如镀锡、镀镍金或 OSP 等，并在文件中注明。Powermyworkroom机密 第 2 页 2004-7-95.2 热设计要求5.2.1 高热器件应考虑放于出风口或利于对流的位置PCB 在布局中考虑将高热器件放于出风口或利于对流的位置。5
7、.2.2 较高的元件应考虑放于出风口，且不阻挡风路5.2.3 散热器的放置应考虑利于对流5.2.4 温度敏感器械件应考虑远离热源对于自身温升高于 30的热源，一般要求：a 在风冷条件下，电解电容等温度敏感器件离热源距离要求大于或等于 2.5mm；b 自然冷条件下，电解电容等温度敏感器件离热源距离要求大于或等于 4.0mm。若因为空间的原因不能达到要求距离，则应通过温度测试保证温度敏感器件的温升在降额范围内。5.2.5 大面积铜箔要求用隔热带与焊盘相连为了保证透锡良好，在大面积铜箔上的元件的焊盘要求用隔热带与焊盘相连，对于需过 5A以上大电流的焊盘不能采用隔热焊盘，如图所示：图 15.2.6 过
8、回流焊的 0805 以及 0805 以下片式元件两端焊盘的散热对称性为了避免器件过回流焊后出现偏位、立碑现象，地回流焊的 0805 以及 0805 以下片式元件两端焊盘应保证散热对称性，焊盘与印制导线的连接部宽度不应大于 0.3mm（对于不对称焊盘） ，如图 1 所示。5.2.7 高热器件的安装方式及是否考虑带散热器确定高热器件的安装方式易于操作和焊接，原则上当元器件的发热密度超过 0.4W/cm3，单靠元器件的引线腿及元器件本身不足充分散热，应采用散热网、汇流条等措施来提高过电流能力，汇流条的支脚应采用多点连接，尽可能采用铆接后过波峰焊或直接过波峰焊接，以利于装配、焊接；对于较长的汇流条的使
9、用，应考虑过波峰时受热汇流条与 PCB 热膨胀系数不匹配造成的 PCB 变形。为了保证搪锡易于操作，锡道宽度应不大于等于 2.0mm，锡道边缘间距大于 1.5mm。X 5mm 器件禁布区图 9为了保证制成板过波峰焊或回流焊时，传送轨道的卡抓不碰到元件，元器件的外侧距板边距离应大于或等于 5mm，若达不到要求，则 PCB 应加工艺边，器件与 VCUT 的距离1mm。5.4.13 可调器件、可插拔器件周围留有足够的空间供调试和维修应根据系统或模块的 PCBA 安装布局以及可调器件的调测方式来综合考虑可调器件的排布方向、调测空间；可插拔器件周围空间预留应根据邻近器件的高度决定。5.4.14 所有的插
10、装磁性元件一定要有坚固的底座，禁止使用无底座插装电感5.4.15 有极性的变压器的引脚尽量不要设计成对称形式5.4.16 安装孔的禁布区内无元器件和走线（不包括安装孔自身的走线和铜箔）5.4.17 金属壳体器件和金属件与其它器件的距离满足安规要求金属壳体器件和金属件的排布应在空间上保证与其它器件的距离满足安规要求。5.4.18 对于采用通孔回流焊器件布局的要求a. 对于非传送边尺寸大于 300mm 的 PCB，较重的器件尽量不要布置在 PCB 的中间，以减轻由于插装器件的重量在焊接过程对 PCB 变形的影响，以及插装过程对板上已经贴放的器件的影响。b. 为方便插装，器件推荐布置在靠近插装操作侧
11、的位置。c. 尺寸较长的器件（如内存条插座等）长度方向推荐与传送方向一致。PCB 过板方向图 10d. 通孔回流焊器件焊盘边缘与 pitch0.65mm 的 QFP、SOP、连接器及所有的 BGA 的丝印之间的距离大于 10mm。与其它 SMT 器件间距离2mm。e. 通孔回流焊器件本体间距离10mm。有夹具扶持的插针焊接不做要求。例：使用通孔回流焊的插针10mm5mmPowermyworkroom机密 第 9 页 2004-7-9f. 通孔回流焊器件焊盘边缘与传送边的距离10mm ；与非传送边距离5mm。5.4.19 通孔回流焊器件禁布区要求a. 通孔回流焊器件焊盘周围要留出足够的空间进行焊
12、膏涂布，具体禁布区要求为：对于欧式连接器靠板内的方向 10.5mm 不能有器件，在禁布区之内不能有器件和过孔。b. 须放置在禁布区内的过孔要做阻焊塞孔处理。5.4.20 器件布局要整体考虑单板装配干涉器件在布局设计时，要考虑单板与单板、单板与结构件的装配干涉问题，尤其是高器件 、立体装配的单板等。5.4.21 器件和机箱的距离要求器件布局时要考虑尽量不要太靠近机箱壁，以避免将 PCB 安装到机箱时损坏器件。特别注意安装在 PCB 边缘的，在冲击和振动时会产生轻微移动或没有坚固的外形的器件：如立装电阻、无底座电感变压器等，若无法满足上述要求，就要采取另外的固定措施来满足安规和振动要求。5.4.2
13、2 有过波峰焊接的器件尽量布置在 PCB 边缘以方便堵孔，若器件布置在 PCB 边缘，并且式装夹具做的好，在过波峰焊接时甚至不需要堵孔。5.4.23 设计和布局 PCB 时，应尽量允许器件过波峰焊接。选择器件时尽量少选不能过波峰焊接的器件，另外放在焊接面的器件应尽量少，以减少手工焊接。5.4.24 裸跳线不能贴板跨越板上的导线或铜皮，以避免和板上的铜皮短路，绿油不能作为有效的绝缘。5.4.25 布局时应考虑所有器件在焊接后易于检查和维护。5.4.26 电缆的焊接端尽量靠近 PCB 的边缘布置以便插装和焊接，否则 PCB 上别的器件会阻碍电缆的插装焊接或被电缆碰歪。5.4.27 多个引脚在同一直
14、线上的器件，象连接器、DIP 封装器件、T220 封装器件，布局时应使其轴线和波峰焊方向平行。 （图 11）图 115.4.28 较轻的器件如二级管和 1/4W 电阻等，布局时应使其轴线和波峰焊方向垂直。这样能防止过波峰焊时因一端先焊接凝固而使器件产生浮高现象。 （图 12）Powermyworkroom机密 第 10 页 2004-7-9图 125.4.29 电缆和周围器件之间要留有一定的空间，否则电缆的折弯部分会压迫并损坏周围器件及其焊点。5.5 走线要求5.5.1 印制板距板边距离：V-CUT 边大于 0.75mm，铣槽边大于 0.3mm。为了保证 PCB 加工时不出现露铜的缺陷，要求所
15、有的走线及铜箔距离板边：V CUT 边大于 0.75mm，铣槽边大于 0.3mm（铜箔离板边的距离还应满足安装要求） 。5.5.2 散热器正面下方无走线（或已作绝缘处理）为了保证电气绝缘性，散热器下方周围应无走线（考虑到散热器安装的偏位及安规距离） ，若需要在散热器下布线，则应采取绝缘措施使散热器与走线绝缘，或确认走线与散热器是同等电位。5.5.3 金属拉手条底下无走线为了保证电气绝缘性，金属拉手条底下应无走线。5.5.4 各类螺钉孔的禁布区范围要求各种规格螺钉的禁布区范围如以下表 5 所示(此禁布区的范围只适用于保证电气绝缘的安装空间，未考虑安规距离，而且只适用于圆孔)：连接种类 型号 规格
16、 安装孔（mm） 禁布区（mm）M2 2.40.1 7.1M2.5 2.90.1 7.6M3 3.40.1 8.6M4 4.50.1 10.6螺钉连接GB9074.48 组合螺钉M5 5.50.1 12苏拔型快速铆钉 Chobert 4 4.10-0.2 7.61189-2812 2.80-0.2 6铆钉连接连接器快速铆钉 Avtronuic1189-2512 2.50-0.2 6ST2.2* 2.40.1 7.6ST2.9 3.10.1 7.6自攻螺钉连接 GB9074.1888 十字盘头自攻镙钉ST3.5 3.70.1 9.6Powermyworkroom机密 第 11 页 2004-7-
17、9ST4.2 4.50.1 10.6ST4.8 5.10.1 12ST2.6* 2.80.1 7.6表 5本体范围内有安装孔的器件，例如插座的铆钉孔、螺钉安装孔等，为了保证电气绝缘性，也应在元件库中将也的禁布区标识清楚。5.5.5 要增加孤立焊盘和走线连接部分的宽度（泪滴焊般） ，特别是对于单面板的焊盘，以避免过波峰焊接时将焊盘拉脱。腰形长孔禁布区如下表 6：连接种类 型号 规格 安装孔直径（宽）Dmm 安装孔长 Lmm 禁布区（mm ）L*DM2 2.40.1 由实际情况确定 LT1) 式中 U1 为温度为 T1 时的磁导率 U2 为温度为 T2 时的磁导率 10.相对温度系数 ur(1/K
18、) 温度系数和磁导率之比，即 ur=U2-U1/(U2)2*1/T2-T1(T2T1) 11.居里温度 Tc() 在该温度下材料由铁磁性（或亚铁磁性）转变顺磁性。见图 2。 12.减落因数 DF： 在恒温下，完全退磁的磁芯的磁导率随时间的衰减变化，即 DF=U1-U2/logT2-T1*1/(U1)2(T2T1) 式中 U1 为退磁后 T1 分钟的磁导率 U2 为退磁后 T2 分钟的磁导率 13.电阻率 (/m) 具有单位截面积和单位长度的磁性材料的电阻。 14.密度 d(kg/m3) 单位体积材料的重量，即 d=W/V 式中 W 为磁芯的重量 (kg) V 为磁芯的体积(m3) 15.功率损
19、耗 Pc(KW/m3、W/KG) 磁芯在高磁场密度下的单位体积损耗或单位重量损耗。该磁通密度可表示为 Bm=E/4.44fNAe 式中 E 为施加在线圈上的电压有效值(V) Bm 为磁通密度的峰值 （T） f 为频率(Hz) N 为线圈匝数 Ae 为有效截面积(m2) 目前。功率损耗的常用测量方法包括乘积电压表法和波形记忆法。 16.电感因数 AL(nH/N2) 电感因数定义为具有一定形状和尺寸的磁芯上每一匝线圈产生的电感量，即 AL=L/N2 式中 L 为装有磁芯的线圈的电感量(H) N 为线圈匝数。 电感的检验 普通电感的检验（如：工字电感、色环电感）只需检验其电感量和电流量即可，电感是储
20、能元件，而磁珠是能量转换（消耗）器件电感多用于电源滤波回路，磁珠多用于信号回路，用于 EMC 对策磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰，而电感用于这方面则侧重于抑制传导性干扰。两者都可用于处理EMC、EMI 问题。磁珠是用来吸收超高频信号，象一些 RF 电路，PLL，振荡电路，含超高频存储器电路（DDR SDRAM，RAMBUS 等）都需要在电源输入部分加磁珠，而电感是一种蓄能元件，用在 LC 振荡电路，中低频的滤波电路等，其应用频率范围很少超过错 50MHZ。地的连接一般用电感，电源的连接也用电感，而对信号线则采用磁珠？ 但实际上磁珠应该也能达到吸收高频干扰的目的啊？而且电感在高频谐振以后都不能再起
21、电感的作用了 还请各位大侠明示先必需明白 EMI 的两个途径，即：辐射和传导，不同的途径采用不同的抑制方法。前者用磁珠，后者用电感。对于扳子的 IO 部分，是不是基于 EMC 的目的可以用电感将 IO 部分和扳子的地进行隔离，比如将 USB 的地和扳子的地用 10uH 的电感隔离可以防止插拔的噪声干扰地平面？电感一般用于电路的匹配和信号质量的控制上。在模拟地和数字地结合的地方用磁珠。在模拟地和数字地结合的地方用磁珠。数字地和模拟地之间的磁珠用多大磁珠的大小（确切的说应该是磁珠的特性曲线） 取决于你需要磁珠吸收的干扰波的频率为什么磁珠的单位和电阻是一样的呢？都是欧姆！磁珠就是阻高频嘛，对直流电阻
22、低，对高频电阻高，不就好理解了吗， 比如 1000R100Mhz 就是说对 100M 频率的信号有 1000 欧姆的电阻因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的，阻抗的单位也是欧姆。磁珠的 datasheet 上一般会附有频率和阻抗的特性曲线图。一般以 100MHz 为标准，比如 2012B601，就是指在 100MHz 的时候磁珠的 Impedance 为 600 欧姆。在很多产品中，交换机的两个地用电容连接起来，为什么不用电感？ 你说的两个地，其中一个是不是机壳的？ 我估计（以下全部估计，有错请指点） 如果用磁珠或者直接相连的话， 人体静电等意外电平会轻易进入交换机的地， 这样交
23、换机工作就不正常了。 但如果它们之间断开，那么遭受雷击或者其他高压的时候，两个地之间的电火花引起起火 加电容则避免这种情况。 对于加电容的解释我也觉得很勉强呵呵， 请高手指教！交换机的地，是通过两个地之间的之间的电容去消除谐波。就像高阻抗的变压器一样，他附加了一个消除谐波的通路！我自己认为！请指正！铁氧体材料是铁镁合金或铁镍合金，这种材料具有很高的导磁率，他可以是电感的线圈绕组之间在高频高阻的情况下产生的电容最小。铁氧体材料通常在高频情况下应用，因为在低频时他们主要程电感特性，使得线上的损耗很小。在高频情况下，他们主要呈电抗特性比并且随频率改变。实际应用中，铁氧体材料是作为射频电路的高频衰减器
24、使用的。实际上，铁氧体较好的等效于电阻以及电感的并联，低频下电阻被电感短路，高频下电感阻抗变得相当高，以至于电流全部通过电阻。铁氧体是一个消耗装置，高频能量在上面转化为热能，这是由他的电阻特性决定的。线圈，磁珠有一匝以上的线圈习惯称为电感线圈，少于一匝（导线直通磁环）的线圈习惯称之为磁珠。用途由起所需电感量决定。请教：对于骅讯的 USB 声卡方案中，在 UBS 电源端与地端也分别接有一个磁珠，不知是否有人清楚，但是在实际生产中也有些工程把磁珠用电感去代替了，请问这样可以吗？那里的磁珠是起什么作用哟？作为电源滤波，可以使用电感。磁珠的电路符号就是电感但是型号上可以看出使用的是磁珠在电路功能上，磁珠和电感是原理相同的，只是频率特性不同罢了
