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1、宽频高 软磁铁氧体材料的设计参考 刘九皋 摘要 摘要 简介了东磁公司开发的宽频高 超高 材料R7k R10k R15k R20k技术指标及宽频特性和国外公司新近 推出的新T38 T56 3E9 H5C5 等超高 材料性能 给出了相应特性曲线 并在展宽频带 减小热阻 降低非线性 失真 确保 i的磁场 应力 时间稳定性方面提供了设计参考 早在 60 年代德国人R ES便已试制出 10000 以上磁导率 i 的软磁铁氧体材料 紧 随其后日本人七条裕三发明了还原二次烧结法 在 70 年代初便把 i10000 以上材料推 向了通信市场 可是直到 90 年代未 日本人安原克志推出 i23000 材料时其截
2、止频率 仍末超过 50kHz 飞速发展的通信市场刺激了铁氧体材料的更新换代 进入 21 世纪后 世界各大公司纷纷发布了各具特色的宽频高 i及广谱高频低功耗材料 本文侧重介绍广 泛用于低电平宽带变压器的最新性能高磁导率铁氧体材料技术特性和设计要点 而用于 高磁通密度功率变压器的广谱高频低功耗材料则另文专述 在通信系统中 为适应不同阻抗的匹配 达到平衡与不平衡电路的耦合 以及作为 阻隔直流之用 宽带变压器得到了广泛应用 特别是随着宽带网连结千家万户 以数据 传输技术为基础的综合业务数字网 ISDN 给用户提供了高度带宽的语言 文字 数据 和图象通信的公用平台 而数字用户线 XDSL 则可将中心交换
3、局和电话用户直接连接 这就需要软磁铁氧体磁芯制成的接口变压器和耦合变压器 这种接口变压器是一个传输 矩形脉冲信号的宽带变压器 它要求在尽可能宽的频率范围具有较低损耗和较小失真 畸变 因此应当选用特殊性能的铁氧体材料和设计满足上述两点要求的磁芯形状 尺 寸 表一列出了世界各大铁氧体厂商高 i材料的最新性能 近两年他们在改进材料 i 频率特性 f 和阻抗特性 z f 以及降低比损耗 tg i 方面做了大量工作 在新的产品 目录中 给出了更优良的特性曲线 如EPCOS SIEMENS 新T38 材料与老T38 材料相比 阻抗特性就有了根本性的变化 图一 其阻抗峰值提高到 700kHz以上 且通带较宽
4、 这 是老材料所无法比拟的 这个公司的T56 i 20000 材料和 2002 年二月Philips公司网上 公布的 3E9 i 20000 材料给人以耳目一新的感觉 而TDK顺应宽带网和抗EMI领域应用 还抢先推出了超高 H5C5 i 30000 材料 固然频率特性尚待改进 但仍不失为业内 最高水平 图二 图三 图四 图一 西门子公司新老 T38 R10k 材料阻抗 频率特性对比 图二 EPCOS 公司 T56 材料性能 图三 Philips 公司 3E9 材料性能 图四 TDK公司H5C5 i 30000 材料性能 东磁公司的宽频高 i材料 瞄准世界热销市场 加速科技创新进程 紧跟国外超
5、一流产品的技术步伐 不失时机的展示了自己的特色 低损耗超高 材料 经国家磁性 产品检测中心测试鉴定 雄辨证明在国内已独立率先开发成功R20k材料 实测各项性能 见表二 表二 高导铁氧体材料样环测试数据 样环 15 8 12 8 性能曲线见图十一 项目 序号 i tg i 10 6 F 1 10 6 20 60 DF 10 6 1 10min Tc Bs mT DM g cm3 1 19800 4 2 0 14 0 98 121 410 5 1 2 19900 4 2 0 22 0 73 121 410 5 1 3 19700 4 2 0 18 0 77 121 411 5 1 4 20100
6、4 1 0 18 0 50 121 410 5 1 5 19400 4 2 0 17 1 1 121 412 5 1 6 19200 4 4 0 26 0 37 121 408 5 1 7 19200 4 4 0 35 0 52 121 406 5 1 8 19800 4 1 0 44 0 18 121 410 5 1 9 19300 4 3 0 28 0 51 121 411 5 1 10 19800 4 3 0 17 0 63 121 410 5 1 测试条件 f 1KHz B 0 25mT N 20 匝 HP4192A f 10KHz B 0 25mT f 1KHz B 0 25mT f
7、 1KHz B 0 25mT Hm 1194A m 测试环境 室温 22 相对湿度 50 测试单位 信息产业部磁性产品质量监督检验中心 四川绵阳 东磁公司软磁产品目录中R10k R12k R15k R18k等材料 可制作EP EE EI ET FT RM UF等及系列环型磁芯 用于ISDN XDSL LAN及抗EMI领域 适用频 率直达 3MHz以上 Ni Zn高 系列以高电阻率见长 适用频率更可达 100MHz以上 宽 频高 材料 f Z f性能数据见表三 表四 同时 这种材料采用进口钟罩炉烧结 R10k 的比损耗系数tg i可小于 2 10 6 10kHz 因而其高频阻抗特性已达到西门子新
8、T38 材料水平 可供客户开发高性能宽带变压器 电感器选用 表三 东磁公司宽频高 DMR7k 材料 f Q f 性能 频率特性 1kHz 10kHz 25kHz 50kHz 75kHz 100kHz150kHz200kHz 300kHz 500kHz 电感 H 317 316 316 319 322 328 337 340 331 274 1 Q 值 9 15 57 4 64 47 132 220 99 475 61 3 01 1 46 电感 H 318 317 317 320 323 329 339 342 333 277 2 Q 值 9 02 57 2 64 649 32 521 9 46
9、5 6 2 99 1 46 电感 H 403 403 403 405 410 432 432 437 429 359 3 Q 值 11 5 65 7 68 751 34 9 789 785 73 3 01 1 4 表四 东磁公司宽频高 DMR10k材料 f Q f性能及比损耗系数tg i 性能曲线见图十一 L Q H 1 2 3 4 5 6 7 8 10kHz 909 68 930 70 925 72 933 72 908 70 908 68 909 66 881 70 tg i1 77 10 61 66 10 61 68 10 61 63 10 61 72 10 61 76 10 61 74
10、 10 61 78 10 6 25kHz 910 32 931 33 926 34 935 34 909 33 910 32 910 32 882 33 50kHz 919 16 940 16 8 936 17 943 16 8919 16 920 16 918 16 891 16 6 80kHz 938 8 9 961 9 17 957 9 5967 9 2939 9 1 939 8 9 939 9 1 909 9 3 100kHz 949 6 3 972 6 5 969 6 7978 6 5950 6 46950 6 3 950 6 5 920 6 7 200kHz 875 2 2 901
11、 2 26 906 2 3908 2 2884 2 2 878 2 2 883 2 2 861 2 3 300kHz 694 1 3 718 8 1 3 725 1 3719 1 3698 1 3 691 1 24 701 1 3 689 1 3 400kHz 509 0 86 530 0 87 536 0 88525 0 85503 0 8 499 0 8 511 0 85 506 0 86 500kHz 358 0 6 375 0 6 379 0 6369 0 6347 0 6 344 0 6 356 0 6 354 0 6 600kHz 247 0 45 260 0 46 261 0 4
12、6254 0 45234 0 4 232 0 4 242 0 4 242 0 45 800kHz 112 0 25 116 0 25 113 0 24111 0 2498 0 2 98 0 2 105 0 2 106 0 2 1MHz 46 0 12 45 0 12 40 0 1 4 1 0 1133 6 0 0934 5 0 1 39 0 1 39 8 0 11 从设计上考虑 宽带变压器要求在尽可能宽的频率范围内 传输信号具有尽可能 小的衰耗和畸变 一般 对理想变压器 假定无损耗 无分布电容 阻抗匹配时 其极限 频率 min Ri 2LP max 2Ri LS 这里Ri为初级电阻值 LP为初
13、级电感量 LS为漏感量 则 4LP LS max min fmax fmin 即展开频带宽度必需提高初级电感量和尽量减少漏感 提高初级电感的途径 显然是选 用电感系数AL值较高 也就是有效磁导率 e较高的磁芯 对环形磁芯其有效磁导率 e与初 始磁导率 i相同 有效比损耗系数tg e与材料比损耗系数tg i相同 因而直接选 用高 i低tg i材料 当使用配对磁芯时 如各种E形 RM及罐形磁芯 接合面不可避 免的具有气隙 其有效磁导率 e小于材料初始磁导率 i e i称为降导比 磁路开具 气隙后 虽然降低了磁导率 AL随之降低 但各项稳定性参数都可以得到改善 如 减落系数 DAe DF e 温度系
14、数 e e 有效损耗 tg e tg e i 磁滞系数 he h e i 2 磁芯场强 He H i e u u 磁芯磁感应 Be B i e u u 在通信电感器 滤波器 变压器设计中 应考虑到与之组成回路中的电容器 变容二极 管等元件的负温度系数特征 故必须选用适当 e的磁芯 以取得最佳补偿 减少频率 漂移 在高频领域 传输特性主要受漏感和分布电容的影响 对于一定形状的磁芯 降 低漏感的方法则是提高变压器初级和次级的耦合 尽量采用宽而浅的绕组 分布电容与 绕组匝数有关 当绕组采用高而窄的截面积时 有最小的分布电容 这就要求正确选用 磁芯的形状和尺寸 因为小尺寸和扁平磁芯特别适合于宽带变压器
15、 如果没有直流叠加 和磁芯饱和问题 则采用内径较小的环形磁芯 双孔磁芯以及磁珠 圆筒形 这种磁芯 漏感很低 有效磁导率较高 因而可获得较大带宽 配对E型磁芯应尽量少用方腿而选 用中间圆腿的EC型和ETD型 因为圆柱形线圈有利于减少漏感和分布电容 罐形磁芯 RM型和EP型磁芯以及适合表面贴装的低矮型ER RM磁芯都可作为优选对象 宽带变压器对磁芯性能的要求 除低损耗 高电阻率外 还应有尽可能高的饱和 磁通密度 因为铁氧体的截止频率 与铁磁共振有关 和饱和磁化强度成正比 此外磁芯 材料的热阻也是必须考虑的因数 特别是在高电平使用的情况下 其定义为在某一指定 的热点每瓦特总功耗的温升 对于给定的磁芯
16、形状 热阻近似地与其线性尺寸的倒数成 比例 因此在磁芯设计中 用加大背部和外翼或将它们变宽变薄的方法 使暴露的铁氧 体表面积增大 使得热阻减小 就等于提高了允许的温升 也就是说使允许的功耗提高 因而传输功率也可增加 当然 随着制造这些磁芯材料性能的改善 用户就有了较大的回旋余地 如前所 述 为得到AL尽可能高 就必须选择高 i材料 但传统的高 i材料截止频率较低 因 而 用户迫切需求宽频高 i材料 日本TDK公司HS72 德国西门子公司T37 T44 及新 T38 在展宽频率范围方面有较大效果 400kHz时 i下降为低频的 80 可使用户使用 较少匝数 即尽可能小的漏感设计出性能良好的宽带变压器 东磁公司宽频高 i材料 紧 随其后推向市场 其高频性能有更大的提高 相信更会受到用户的欢迎 实际设计使用 磁芯时 除考虑上述频率特性和损耗特性外 还必须注意非线性失真 主要是三次谐波畸变 特别是当磁通密度较高时 磁芯材料工作于磁滞回线非线性区域 因磁滞而产生谐波 为获 得高质量宽带变压器 铁氧体磁芯材料应具有较小的磁滞损耗系数 在较低频率范围 通常三次谐波材料常数 B与材料磁滞损耗tg h的
