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[摘要]：开关电源是时下电能转换的常用装置，而磁性元件是决定其质量的重要部件。磁性损耗和绕组损耗是导致磁性元件出现损耗的来源，本文就两种损耗作出简要的分析，并阐述了影响两种损耗的因素。
[关键词]：开关电源 磁性元件 磁芯损耗 绕组损耗
引言
随着工业规模的扩大以及人们生活的快节奏的发展，电子设备也逐渐向小型化发展。开关电源作为目前使用范围最广的供电装置，也应走向小型化的发展道路。而开关电源中磁性元件占据了大部分空间和重量，且磁性元件也是开关电源损耗的主要来源。因此，为了实现开关电源的小型化和工作频率的提高，就需要使磁性元件的体积减小。
一、开关电源的概述
在科技不断发展的背景下，人们的生活和工作以及工厂的生产都离不开电子设备。而为了保证电子设备的正常运行，就需要一定的能源支持，即电能。通常情况之下，电能并不能直接用于电子设备，而是需要进行一定地转换，比如交流电向直流电转换、高压电向中低压电转换等。这种转换的目的一方面是为了提高电能的质量，使供电部门输出的电能能够达标，另一方面是为了提高电能的利用效率，减少不必要的损耗，从而提高企业的经济效益。
电源就是电能的转换装置，任何电子设备的运行都需要电源的支持，且电子设备运行的稳定性和技术的指标都与电源有着直接的关系。因此，电源的质量也就决定了电子设备的质量。就直流稳压电源而言，电源包括线性电源以及开关电源。线性电源的特点是稳压性能好，进而输出电压中有很小的波纹电压。但是，这种电源是在线性放大区进行调整管工作，不仅会产生较大的功率损耗，而且效率极低。开关电源的特点是通过开关模式来管理功率工作，不会产生太多的功率损耗，同时这种电源具有较高的工作频率，其内部装置体积都比较小。故而，相比于线性电源，开关电源不但效率上要远远高于线性电源，而且体积也较小，重量较轻，是目前较为常用的高效节能电源。
二、开关电源中磁性元件损耗分析和改善
开关电源的优劣程度与其功率密度相关，为了提高功率密度就需要进行高频化。磁性元件由多个部件组成，不同部件会产生会不同损耗，根据部件的不同，磁性元件的损耗可以分为磁芯损耗、绕组损耗两种。其损耗的程度会因为频率的提高不断增加，如果需要提高开关的频率，就必然要在电源高频运行时减少磁性元件的损耗。
（一）开关电源中磁性元件的作用
开关电源中磁性元件的主要部件有两个，即电感与变压器。电感的作用在于滤波和储存电能;变压器的作用主要有电气隔离、阻抗转换和电压转换等。在开关电源中，磁性元件有着重要的作用，是实现电源各种功能的保障，因此大量应用与开关电源中。据有关资料显示，磁性元件的重量和体积大概是全部电路的五分之一到十分之三，而损耗就占了总损耗的百分之三十。从图1中可以看出，开关电源中磁性元件占据的体积。
图1 开关电源中的磁性元件
（二）磁芯损耗与磁性材料
磁芯损耗会因为所使用的磁性材料而产生不同程度的损耗。一般开关电源中用的较多的磁性材料有铁粉芯、硅钢、坡莫合金、非晶态合金和铁氧体等。铁粉芯以及硅钢的优点是饱和磁感应的强度颇高，缺点是高频损耗偏大，所以并不适合高频运行时的电源。坡莫合金与非晶态合金与铁粉芯一样，饱和磁感应强度高，且磁导率高。不过这种材料制作工艺要求较高，相对的价格也比较高。此外，高频时元件的损耗也较高。
目前，为了实现磁性元件的高频化大多使用铁氧体作为高频性材料，这种材料属于金属化合物，构成物质有氧化铁和其他金属氧化物，制作工艺与陶瓷工艺类似。其优点是电阻率大、高频损耗小、磁导率高等。根据金属氧化物的不同，铁氧体又可以分为锰锌和镍锌，虽然锰锌的磁导率要高于镍锌，但电阻率上镍锌更具优势，所以镍锌的涡流损耗要比锰锌低，更适合在高频时使用。而铁氧体也成为减少磁芯损耗、实现电源开关高频化的主要磁芯磁性材料。
（三）平面绕组损耗与磁性元件损耗
经过电力技术的不断发展，电子设备的重量变得越来越轻，厚度也是逐渐降低，趋于平面化，作为电源中重要的组成部分，磁性元件也应向着扁平化的平面结构发展（如图2所示）。
图2 平面磁芯
当元件处于高频运行的状态下，磁芯会逐渐的升温，出现发热发烫的情况，磁性元件的损耗也会随之增加。而平面化结构磁芯最大的好处就是散热面积较大，同时磁性元件表面的热阻也会有所减小，有利于促进开关电源的功率密度的提高。
与一般的普通磁芯相比，虽然平面结构的磁芯窗口面积不大（如图3所示），但是如果是在高频和低压的工作时，就只会用到很少的绕组匝数，甚至有可能只用一匝。所以，平面绕组非常适合在高频和低压的场合中使用。平面绕组的制作材料通常会用到铜箔或者印刷电路板。如果是将铜箔作为绕组材料，就需要对其进行形状加工，然后再根据要求折叠成绕组。一般低压和大电流的磁性元件中会用到这种材料。如果是印刷电路板作为然组材料，那么制作工艺更为方便，适合批量生产，一般小型和中型功率的磁性元件会使用这种材料。
图3 平面磁芯元件
平面绕组损耗不仅会受到导体材料的影响，还会因为绕组的几何结构和交流频率信号而不同。高频时，导体会产生集肤效应和邻近效应。集肤效应产生的原因是导体自身交变电流形成的交变电磁场，邻近效应则是因为附近导体形成的磁场或者漏磁场而产生。如果出现这两种效应，电流就会流向导体的表面，导致导体中电流分布不均，有效的导电面积也会因此减小，从而使交流电状态下的电阻值要明显超过直流电阻，甚至会出现超过几十倍的情况，绕组损耗也就随之不断的增加。所以，设计高频平面磁性元件过程，需要特别注意导体的集肤效应和邻近效应对平面绕组的影响，不然最终设计的产品无法符合达标。
三、结束语
开关电源的效果取决于功率密度，为了提高其开关效果，就需要实现高频化。但是由于磁性元件损耗的客观存在，使开关电源的高频化受到一定限制。磁性元件损耗包括磁芯损耗和绕组损耗，减少磁芯损耗的有效方法是使用铁氧体作为制作材料;减少绕组损耗的办法是设计平面化结构磁芯，扩大绕组散热面积，同时设计时需要注意集肤效应和邻近效应的影响。
参考文献：
[1]姜菲菲等.开关电源中磁性元件的设计[J].常熟理工学院学报，2008，（10）.
[2]黄凯.高频磁性元件绕组损耗的研究[D].河北工业大学，2012年.
[关键词]：开关电源 磁性元件 磁芯损耗 绕组损耗
引言
随着工业规模的扩大以及人们生活的快节奏的发展，电子设备也逐渐向小型化发展。开关电源作为目前使用范围最广的供电装置，也应走向小型化的发展道路。而开关电源中磁性元件占据了大部分空间和重量，且磁性元件也是开关电源损耗的主要来源。因此，为了实现开关电源的小型化和工作频率的提高，就需要使磁性元件的体积减小。
一、开关电源的概述
在科技不断发展的背景下，人们的生活和工作以及工厂的生产都离不开电子设备。而为了保证电子设备的正常运行，就需要一定的能源支持，即电能。通常情况之下，电能并不能直接用于电子设备，而是需要进行一定地转换，比如交流电向直流电转换、高压电向中低压电转换等。这种转换的目的一方面是为了提高电能的质量，使供电部门输出的电能能够达标，另一方面是为了提高电能的利用效率，减少不必要的损耗，从而提高企业的经济效益。
电源就是电能的转换装置，任何电子设备的运行都需要电源的支持，且电子设备运行的稳定性和技术的指标都与电源有着直接的关系。因此，电源的质量也就决定了电子设备的质量。就直流稳压电源而言，电源包括线性电源以及开关电源。线性电源的特点是稳压性能好，进而输出电压中有很小的波纹电压。但是，这种电源是在线性放大区进行调整管工作，不仅会产生较大的功率损耗，而且效率极低。开关电源的特点是通过开关模式来管理功率工作，不会产生太多的功率损耗，同时这种电源具有较高的工作频率，其内部装置体积都比较小。故而，相比于线性电源，开关电源不但效率上要远远高于线性电源，而且体积也较小，重量较轻，是目前较为常用的高效节能电源。
二、开关电源中磁性元件损耗分析和改善
开关电源的优劣程度与其功率密度相关，为了提高功率密度就需要进行高频化。磁性元件由多个部件组成，不同部件会产生会不同损耗，根据部件的不同，磁性元件的损耗可以分为磁芯损耗、绕组损耗两种。其损耗的程度会因为频率的提高不断增加，如果需要提高开关的频率，就必然要在电源高频运行时减少磁性元件的损耗。
（一）开关电源中磁性元件的作用
开关电源中磁性元件的主要部件有两个，即电感与变压器。电感的作用在于滤波和储存电能;变压器的作用主要有电气隔离、阻抗转换和电压转换等。在开关电源中，磁性元件有着重要的作用，是实现电源各种功能的保障，因此大量应用与开关电源中。据有关资料显示，磁性元件的重量和体积大概是全部电路的五分之一到十分之三，而损耗就占了总损耗的百分之三十。从图1中可以看出，开关电源中磁性元件占据的体积。
图1 开关电源中的磁性元件
（二）磁芯损耗与磁性材料
磁芯损耗会因为所使用的磁性材料而产生不同程度的损耗。一般开关电源中用的较多的磁性材料有铁粉芯、硅钢、坡莫合金、非晶态合金和铁氧体等。铁粉芯以及硅钢的优点是饱和磁感应的强度颇高，缺点是高频损耗偏大，所以并不适合高频运行时的电源。坡莫合金与非晶态合金与铁粉芯一样，饱和磁感应强度高，且磁导率高。不过这种材料制作工艺要求较高，相对的价格也比较高。此外，高频时元件的损耗也较高。
目前，为了实现磁性元件的高频化大多使用铁氧体作为高频性材料，这种材料属于金属化合物，构成物质有氧化铁和其他金属氧化物，制作工艺与陶瓷工艺类似。其优点是电阻率大、高频损耗小、磁导率高等。根据金属氧化物的不同，铁氧体又可以分为锰锌和镍锌，虽然锰锌的磁导率要高于镍锌，但电阻率上镍锌更具优势，所以镍锌的涡流损耗要比锰锌低，更适合在高频时使用。而铁氧体也成为减少磁芯损耗、实现电源开关高频化的主要磁芯磁性材料。
（三）平面绕组损耗与磁性元件损耗
经过电力技术的不断发展，电子设备的重量变得越来越轻，厚度也是逐渐降低，趋于平面化，作为电源中重要的组成部分，磁性元件也应向着扁平化的平面结构发展（如图2所示）。
图2 平面磁芯
当元件处于高频运行的状态下，磁芯会逐渐的升温，出现发热发烫的情况，磁性元件的损耗也会随之增加。而平面化结构磁芯最大的好处就是散热面积较大，同时磁性元件表面的热阻也会有所减小，有利于促进开关电源的功率密度的提高。
与一般的普通磁芯相比，虽然平面结构的磁芯窗口面积不大（如图3所示），但是如果是在高频和低压的工作时，就只会用到很少的绕组匝数，甚至有可能只用一匝。所以，平面绕组非常适合在高频和低压的场合中使用。平面绕组的制作材料通常会用到铜箔或者印刷电路板。如果是将铜箔作为绕组材料，就需要对其进行形状加工，然后再根据要求折叠成绕组。一般低压和大电流的磁性元件中会用到这种材料。如果是印刷电路板作为然组材料，那么制作工艺更为方便，适合批量生产，一般小型和中型功率的磁性元件会使用这种材料。
图3 平面磁芯元件
平面绕组损耗不仅会受到导体材料的影响，还会因为绕组的几何结构和交流频率信号而不同。高频时，导体会产生集肤效应和邻近效应。集肤效应产生的原因是导体自身交变电流形成的交变电磁场，邻近效应则是因为附近导体形成的磁场或者漏磁场而产生。如果出现这两种效应，电流就会流向导体的表面，导致导体中电流分布不均，有效的导电面积也会因此减小，从而使交流电状态下的电阻值要明显超过直流电阻，甚至会出现超过几十倍的情况，绕组损耗也就随之不断的增加。所以，设计高频平面磁性元件过程，需要特别注意导体的集肤效应和邻近效应对平面绕组的影响，不然最终设计的产品无法符合达标。
三、结束语
开关电源的效果取决于功率密度，为了提高其开关效果，就需要实现高频化。但是由于磁性元件损耗的客观存在，使开关电源的高频化受到一定限制。磁性元件损耗包括磁芯损耗和绕组损耗，减少磁芯损耗的有效方法是使用铁氧体作为制作材料;减少绕组损耗的办法是设计平面化结构磁芯，扩大绕组散热面积，同时设计时需要注意集肤效应和邻近效应的影响。
参考文献：
[1]姜菲菲等.开关电源中磁性元件的设计[J].常熟理工学院学报，2008，（10）.
[2]黄凯.高频磁性元件绕组损耗的研究[D].河北工业大学，2012年.