开关电源中的磁性材料分析
第二部分开关电源中磁元件
第二部分 开关电源中磁元件第五章 变换器中磁芯的工作要求在功率变换中，应用了多种磁性元件：如脉冲、功率变压器，交、直流滤波电感，交、直流互感器，EMC 滤波电感以及谐振和缓冲吸收电感等。
但就磁芯工作状态主要分为四种，其代表性功率电路—Buck 变换器滤波电感、正激、推挽变压器和磁放大器中磁元件磁芯就属于这四种工作状态.5.1 Ⅰ类工作状态－Buck 变换器滤波电感磁芯图5.1(a)所示为输出与输入共地的Buck 变换器的基本电路。
输出由R 1和R 2取样，与基准U r 比较、误差放大，然后与三角波比较，输出PWM 信号，去控制功率开关S 的导通时间。
假设电路进入稳态，U o 为常数，L 为线性电感。
开关S 闭合时，输入电压U i 与输出电压U o 之差加到电感L 上(图5.1(b))，续流二极管D 截止，电感中电流线性增长(图(d))，直至开关打开前，电感存储能量。
当开关打开时，电感中电流趋向减少，电感产生一个反向感应电势，试图维持原电流流通方向，迫使二极管D 导通，将电感中的能量传输到输出电容和负载，电感放出能量，电感电流线性下降。
电感电流增加量（ΔI =(U i - U o )T on /L ）应当等于减少量（U o T of /L ）,由此得到U o ＝T on U i /T =DU i 。
通过改变功率开关的占空度D ，就可以控制每个周期导通期间存储在电感中的能量，从而控制了变换器的输出电压。
图 5.1(d)中，电感电流在整个周期内流通（可以过零或反向），电感这种状态称为电流连续状态。
电感电流的平均值，即纹波的中心值等于输出电流I o 。
当输出电流下降时，电感电流的变化率没有改变，斜坡的中心值在下降。
当输出电流达到变化量的一半时，斜坡的起始端达到零(图5.1(d)中虚线三角波)。
这种工作状态称为电感电流临界连续。
如果再继续减少负载电流，即增大负载电阻，输出电压将要增加。
负反馈电路使得功率开关导通时间减少，以保持输出电压稳定。
开关电源中磁粉芯认识, 铁氧体,粉芯, EMC,滤波电感
一). 粉芯类1. 磁粉芯磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。
由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5~5微米），又被非磁性电绝缘膜物质隔开，因此，一方面可以隔绝涡流，材料适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有低导磁率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定。
主要用于高频电感。
磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。
常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯及铁硅铝粉芯三种。
磁芯的有效磁导率me及电感的计算公式为： me = DL/4N2S ´ 109其中： D为磁芯平均直径（cm），L为电感量（享），N为绕线匝数，S为磁芯有效截面积（cm2）。
(1). 铁粉芯常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成。
在粉芯中价格最低。
饱和磁感应强度值在1.4T左右；磁导率范围从22~100; 初始磁导率mi随频率的变化稳定性好；直流电流叠加性能好；但高频下损耗高。
(2). 坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯主要有钼坡莫合金粉芯(MPP)及高磁通量粉芯(High Flux)。
MPP是由81%Ni, 2%Mo, 及Fe粉构成。
主要特点是: 饱和磁感应强度值在7500Gs左右；磁导率范围大，从14~550; 在粉末磁芯中具有最低的损耗；温度稳定性极佳，广泛用于太空设备、露天设备等；磁致伸缩系数接近零，在不同的频率下工作时无噪声产生。
主要应用于300KHz以下的高品质因素Q滤波器、感应负载线圈、谐振电路、在对温度稳定性要求高的LC电路上常用、输出电感、功率因素补偿电路等, 在AC电路中常用, 粉芯中价格最贵。
高磁通粉芯HF是由50%Ni, 50%Fe粉构成。
主要特点是: 饱和磁感应强度值在15000Gs左右；磁导率范围从14~160; 在粉末磁芯中具有最高的磁感应强度，最高的直流偏压能力；磁芯体积小。
开关电源的输入emi 差模电感磁芯材料
开关电源的输入EMI差模电感磁芯材料引言开关电源是一种常见的电源应用，其设计和使用中需要考虑电磁干扰（EMI）的问题。
差模电感是开关电源中重要的组成部分，其磁芯材料的选择对EMI性能有着重要的影响。
本文将深入探讨开关电源的输入EMI差模电感磁芯材料的选择与应用。
差模电感的作用差模电感是开关电源中的滤波元件，主要作用有： 1. 过滤高频噪声：差模电感可以阻隔高频噪声，提高开关电源的抗干扰能力。
2. 平滑输出电流：差模电感能够减小开关电源输出的纹波电流，提高电源的稳定性和效率。
差模电感的结构和特点差模电感一般由磁芯、线圈和外壳组成。
其结构特点包括： 1. 磁芯材料：磁芯材料是差模电感的核心组成部分，决定了其电磁性能。
2. 线圈：线圈是差模电感的导电元件，同时也是差模电感电感值的决定因素。
3. 外壳：外壳对差模电感的屏蔽性能和机械强度有着重要影响。
磁芯材料的选择不同的磁芯材料具有不同的磁性能和电磁性能，对差模电感的EMI性能有着直接的影响。
常见的磁芯材料包括： 1. 铁氧体（Ferrite）：铁氧体是一种性能稳定、价格相对便宜的磁芯材料。
在高频范围内的磁导率较低，适用于高频开关电源的差模电感。
2. 铁氟龙氧体（Powder Iron）：铁氟龙氧体磁芯具有较高的饱和磁感应强度和磁导率，适用于高功率开关电源的差模电感。
3. 磁性不锈钢（MPP）：磁性不锈钢磁芯具有较高的饱和磁感应强度和磁导率，同时具有良好的磁滞特性和稳定的温度性能，适用于高性能开关电源的差模电感。
磁芯材料的性能参数对于差模电感的磁芯材料，我们需要关注以下几个重要的性能参数： 1. 饱和磁感应强度（Bs）：材料能承受的最大磁感应强度。
影响差模电感的磁能存储能力和工作点的选择。
2. 相对磁导率（μr）：材料相对于真空中的磁导率。
决定了磁芯中的磁感应强度和磁场能量的关系。
3. 硬磁饱和（Hcs）：材料达到饱和磁感应强度所需的磁场强度。
关于开关电源中磁性元件损耗研究
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 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
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
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
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 。
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
但是 ， 这 种 电源 是在 线 陛放 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
开关电源中的磁性元
变压器设计参数
设计变压器时，有两个重要参数，一个是窗口面积，它必须保证能够使导线绕满，并且损耗最小。第二个参数是磁芯的功率输出能力。这两个参数的直接关系式为： Pout=（1.16 Bmax·f·d·Ae·Ac）105 公式中，Pout：磁芯的输出功率，W； Bmax：最大磁通密度，T； f ：变压器的工作频率,Hz； d：导线的载流密度，A/m2 Ae：磁芯的有效截面积，cm2； Ac：磁芯的窗口面积，cm2
铁氧体化学分子为MFe2O4，这里的M代表：锰、镍、锌、铜等二价金属离子
铁氧体材料说明
高频电源变压器的设计原则
高频电源变压器作为一种产品，自然带有商品的属性，因此高频电源变压器的设计原则和其他商品一样，是在具体使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。有时可能偏重性能和效率，有时可能偏重价格和成本。现在，轻、薄、短、小，成为高频电源的发展方向，是强调降低成本。其中成为一大难点的高频电源变压器，更需要在这方面下功夫。所以在高频电源变压器的“设计要点”一文中，只谈性能，不谈成本，不能不说是一大缺憾，如果能认真考虑一下高频电源变压器的设计原则，追求更好的性能价格比，传送不到10VA的单片开关电源高频变压器，应当设计出更轻、薄、短、小的方案来。不谈成本，市场的价值规律是无情的！许多性能好的产品，往往由于价格不能为市场接受而遭冷落和淘汰。往往一种新产品最后被成本否决。一些“节能不节钱”的产品为什么在市场上推广不开值得大家深思。
变压器和半导体开关器件，整流器件，电容器一起，称为电源装置中的4大主要元器件。根据在电源装置中的作用，变压器可以分为：
01
起电压和功率变换作用的电源变压器，功率变压器，整流变压器，逆变变压器，开关变压器，作用的宽带变压器，声频变压器，中周变压器；
开关电源中的高频磁元件设计
(2)初始磁导率i
μm
就是磁性材料得初始磁化 μi
曲线始端磁导率得极限值,即
H
i
1
0
lim
H 0
B H
12
4、1 磁性材料得概述
(3)有效磁导率r
在闭合磁路中,或多或多或少地存在着气隙,若气隙 很小可以忽略,则可以用有效磁导率来表征磁芯得导磁 能力。
e
L
4N
2
l Ae
107
L —— 线圈得自感量(mH) N——线圈匝数 Ae ——磁芯截面积(mm2)
磁滞现象
磁感应强度B 得改变滞 后于磁场强度H 得现象称 为磁滞现象。
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4、1 磁性材料得概述
磁性材料得基本特性
• 磁感应强度 B (磁通密度)
• 表征磁场中某一点得磁性强弱和方向得矢量 B F IL
方向:左手定则 单位:特斯拉( T)、 高斯(GS),1 GS =10-4 T
8
4、1 磁性材料得概述
频率越高,损耗功率越大。 在工作频率一定时,降低矫顽力可有效降低磁滞损耗。 磁感应强度摆幅越大,包围面积越大,损耗也越大。
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4、1 磁性材料得概述
• 涡流损耗
• 就是交变磁场在磁芯中产生环流引起得欧姆损耗。
PW
1
6r
2d
2
BW2
f
2
d —— 密度,单位体积材料得质量
r —— 磁芯得电阻率
注:
涡流损耗取决于材料得截面尺寸和电阻率。 在工作频率一定时,减小磁性材料厚度及提高其电阻率可减小 涡流损耗。 为减少涡流损耗,可将低电阻率得磁合金材料碾轧成薄带,用相 互绝缘得n 片薄带叠成相同截面积磁芯代替整块磁芯。
ab段就是上升段,不可逆
开关电源中的磁性元
根据电源转换需求，设计变压器 的线圈匝数、绕组方式、铁芯尺 寸等参数，以实现电压和电流的
转换。
电感器设计
根据滤波和储能需求，设计电感器 的线圈匝数、绕组方式、磁芯尺寸 等参数，以实现电流的滤波和储能。
互感器设计
根据信号传输需求，设计互感器的 线圈匝数、绕组方式、磁芯尺寸等 参数，以实现电压和电流的测量和 传输。
磁性元件面临的挑战
高温环境
随着开关电源工作温度的升高，磁性元件需要具备更高的耐热性能 和稳定性，防止高温下性能下降或失效。
电磁干扰
开关电源中的磁性元件会产生电磁干扰，对周围电路和设备产生影 响，需要采取有效的电磁屏蔽和噪声抑制措施。
可靠性问题
在高频、高温和复杂环境下，磁性元件的可靠性面临挑战，需要加 强元件的材料、结构和工艺等方面的研究。
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未来磁性元件的研究方向
新材料研究
探索新型的磁性材料，如纳米材料、高磁导率材 料等，以提高磁性元件的性能和适应性。
集成化研究
研究磁性元件的集成化技术，实现多功能的集成 和优化，提高开关电源的整体性能。
智能化研究
研究磁性元件的智能化技术，实现自适应调节和 控制，提高开关电源的智能化水平。
THANKS FOR WATCHING
在开关电源中，磁性元件通常用于实现电压和电流的转换、储能和控制等功能，是开关电源的重要组成部分。
磁性元件的种类
变压器
用于实现电压和电流的转换，通常由两个或多个线圈 绕在磁芯上组成。
电感器
用于实现储能和控制，通常由线圈绕在磁芯上组成。
磁性材料
用于制造磁芯，常用的磁性材料有铁氧体、钕铁硼等。
磁性元件在开关电源中的作用
磁性元件的热设计
开关电源中磁珠的特性与选用原则
开关电源中磁珠的特性与选用原则1、磁珠的特性开关电源尤其是大功率开关电源，它们的工作频率一般为100kHz，有的高达1MHz。
在高频的作用下，电源的输出整流管，在关断期间反向恢复过程中，会产生噪声和反向峰值电流，非常容易击穿整流二极管或MOS管，还容易在二极管或MOS管导通期间向外辐射高频率的干扰信号。
人们虽然在整流二极管的两端并联阻容元件组成高频旁路电路，但作用效果不太理想。
相反，由于增加了电阻、电容，在高频率的作用下造成损耗。
近年来，研发人员找到在二次侧滤波器输出线上套上一只磁珠，有力地抑制了噪声和干扰信号，还具有静电脉冲吸收能力。
磁珠的主要原料为铁氧体，是一种晶体结构亚铁磁性材料，它在低频时呈现电感特性，损耗很小；在高频时呈现电抗特性抵抗高频辐射。
它的性能参数与铁氧体磁心一样，为磁导率和磁通密度。
当导体穿过铁氧体磁心时，所形成的电抗是随着频率升高而增加，不同的频率其受理作用不一样。
磁珠在高频下的磁导率较低，电感量也小，干扰电磁波吸收很大；在低频时作用相反。
总而言之，磁珠器件具有低损耗、高品质因数的特性，可防止电磁辐射。
2、磁珠的主要参数（1）标准值磁珠的单位是按照在某一频率下所产生的阻抗来标定的，它的单位是Ω，一般以100MHz为标准。
如2012B601是指100MHz磁珠的阻抗为600Ω。
（2）额定电流是保证电路正常工作允许通过的电流。
（3）感抗磁珠在100MHz的高频下，在一闭环电路里，磁珠的两端所产生的电感量。
电感量的大小表示储能的能力大小。
（4）Q值品质因数。
（5）自谐振频率由于电感有分布电容的作用，将形成LC振荡电路而起振，称之为自谐振频率。
（6）超载电流表示电感器正常工作时的最大电流的2.2倍。
（7）封装形式及尺寸在PCB上多使用表贴封装元器件，这种形式具有良好的闭合磁路和电磁特性。
（8）磁通量磁珠在低频下承受电流越大，感抗随交流变化而呈容抗，磁珠发热而造电路损耗。
初始磁通量与品质因数Q得不到平衡。
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从应用功能上讲，磁性材料分为：软磁材料、 永磁材料、磁记录-矩磁材料、旋磁材料等等种 类。 磁性材料从形态上讲。包括粉体材料、液体 返回 材料、块体材料 、薄膜材料等。
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磁性材料现在主要分两大类，一类是软磁，一类 是硬磁；
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金属磁粉芯与磁性材料，由于金 属软磁粉末被绝缘体包围，形成分散 气隙，因而大大降低了金属软磁材料 的高频涡流损耗，使磁粉芯具有抗饱 和特性和宽的频率响应，适合于制作 谐振电感，功率因数校正电感、输出 滤波电感、EMI抗干扰电感。 其特点：饱和磁感应强度高，能工 作于大电流下，性能稳定可靠，磁导 率具有优异的频率特性，线性温度系 数，环形结构具有极低的电磁辐射， 15 机械强度大，可直接绕较粗的漆包线，
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铁氧体磁性的主要特点是电阻率远大 于金属材料，这抑制了涡流的产生，是铁 氧体磁性能应用于高频领域。按配方把高 纯粉状的氧化物混合均匀，在经过煅烧， 粉碎，造粒，模压成型，在高温（10001400℃下烧结而成）低损耗FP系列磁芯 适用于开关电源中DC/DC变换器的主变压 器和输出平滑滤波扼流圈；高磁导率FH 系列磁芯适用于开关电源中脉冲变压器和 噪声滤波电感。
非晶态软磁材料，这里介绍两种 首钢冶金研究所磁芯，AI恒导磁铁 基非晶，以AI-50（带有间隙）为代 表，具有高饱和磁感、高线性磁导 率、低高频损耗、良好的频率特性 和温度稳定性。适用于高频滤波扼 流圈、差模滤波器。另一种非晶态 软磁材料是CA钻基非晶，以CA-L为 代表的高频低损耗磁芯，适用于高 频开关变压器。 17
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谢谢观看
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超微晶软磁材料，首钢冶金研究所 的铁基超微晶磁芯已应用在航天电源产 品中，FUM低损耗类，具有高频损耗低 高饱和磁感用强度，低矫顽力的特性， 工作频率在1-300KHz；适用于高频变换 器、逆变器、开关变压器。FUZ高矩形 比类，具有高饱和、高导磁率、高矩形 比的特性，适用于高频磁放大器，磁开 关尖峰抑制器。FUL低剩磁类，具有高 脉冲磁导率、低损耗、低剩磁的特性， 适用于单极性脉冲变压器，开关电源、 16 斩波器。 本 活 动 奖 品 由 Q 衣 族 提 供
它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐 排列。
剩余磁感应强度：是磁滞回线上的特征参
数，H回到0时的B值 。
磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与
H的比值，该数值与器件工作状态密切相关。
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居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度
升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消 失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。 它确定了磁性器件工作的上限温度。 初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率 μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导 率μp。
软磁相框
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软磁年历 本 活 动 奖 品 由 Q 衣 族 提 供
软磁包括硅钢片和 软磁铁芯；硬磁包括 铝镍钴、钐钴、铁氧 体和钕铁硼，这其中， 最贵的是钐钴磁钢， 最便宜的是铁氧体磁 钢，性能最高的是钕 铁硼磁钢，但是性能 最稳定，温度系数最 好的是铝镍钴磁钢， 用户可以根据不同的 需求选择不同的硬磁 产品。 返回
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磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的， 在外加磁场H 作用下，必有相应的磁化强度M 或磁 感应强度B，它们随磁场强度H 的变化曲线称为磁 化曲线。
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2. 软磁材料的常用磁性能参数
饱和磁感应强度：其大小取决于材料的成分，
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开关电源电路中用到的磁性材料种类 很多，有铁氧体，磁粉芯，合金带（或 片），非晶态，超微晶软磁材料。合理 选用不同的软磁材料，是优化设计的重 要途径。几种磁性材料特性做大致比较 见下表：
超微晶
高频损 耗 磁导率 矩形比 饱和磁 低 高 较高 高
非晶态
低 一般 高 高
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在我们的日常生活中， 磁性材料也是无处 在．以汽车为例， 从启动机到电动车窗、 雨刷器等等，一辆汽 车要用数十个大大小 小的电动机，而要制 造电动机，需要大量 的永磁材料作为定子、 软磁材料作为转子；
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开关电源中用到的磁性元件有高频扼 流圈，开关变压器，磁性放大器，脉冲变 压器，过滤电感等，这些磁性元件所选用 磁芯材料直接影响着开关电源的效率和性 能。开关变压器是开关电源的核心元件之 一，选择合适的磁性材料是开关变压器设 计的关键对应不同工作状态的开关电源变 压器，由于磁芯工作在磁化曲线的不同区 域，应选用相应特征的磁性材料。开关变 压器的主要目标是提高效率，降低损耗， 而磁芯的损耗主要由于磁滞损耗和涡流损 耗造成。 5
铁氧体
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硅钢 金
高
低
低
高
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磁性材料主要是指由过渡元素铁、钴、镍及其 合金等组成的能够直接或间接产生磁性的物质. 磁性材料从材 质和结构上讲， 分为“金属及 合金磁性材料” 和“铁氧体磁 性材料”两大 类，铁氧体磁 性材料又分为 多晶结构和单 晶结构材料。
开关电源中的磁性材料
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开关电源中的磁性材料
• • • • 引言 开关电源中磁性元件与磁性材料的关系 磁性材料的分类 不同磁性材料的性能及应用
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目前，航天与空间技术、计算机与通信技 术中，开关电源的应用较为广泛，逐渐占据 了主要位置，它具有功率小，效率高 （70~90%），稳压范围宽及体积小，重量 轻等特点。开关电源中的磁性元件是决定电 源效率，品质的关键因素。