網絡通訊用磁性器件的要求和發(fā)展趨勢對網絡通訊用磁性器件，廣義的理解是指網絡通訊設備所需要使用的磁性器件，第一：包括power電源部分（包括電源上所用的功率變壓器，輸入輸出電感，電流互感器，差共模濾波器等）；第二：數據傳輸部分，相對前者，對功率密度的要求被要求寬帶可靠傳輸數據信號的要求所取代。因此，相應對磁性器件的要求就有很大差別，二者的設計理論也是截然不同的。第三：隨著電磁噪聲的日益惡化和相關標準的強制執(zhí)行，怎樣以最佳的性價比和最小的空間占用解決電磁兼容問題，也越來越成為工程師考慮的重點之一，除了要求對系統(tǒng)干擾源進行準確的診斷和定位外，從器件級的角度進行合理的器件設計和選型也成為解決電磁兼容的重要一環(huán)。因此，對磁性材料的合理選擇成為器件設計的關鍵。下面，分別就以上三方面進行具體的論述。第一部分：POWER部分隨著通訊的發(fā)展，對電源的要求向更高功率密度，更低電壓和更大電流方向發(fā)展。限制開關電源小型化，高頻化的主要因素是電感變壓器等磁性器件和有源開關管及二極管。從磁性元件角度考慮，由于工作頻率的提高，電源主變壓器的設計對磁芯的選型提出了新的要求，對于DC-DC模塊來說，開關頻率已經到400kHz以上，在這一頻率使用過去常用的PC40材質已經達不到降低功耗的要求，必須使用PC44,47,95等材質的磁芯才能達到低功耗的要求，同時對于輸出電感，由于大的直流偏置特性要求，同粉芯材料相比，鐵氧體的飽和磁感應強度(BS)較低，直流偏置（DC-BIAS）能力較差,當不能滿足降低器件高度和體積的要求時，必須使用MPP(鉬坡莫合金)，SENDUAT(鐵硅鋁)，HIGHFLUX（高磁通磁芯）以及IRONPOWDER(鐵粉芯)等.同時，采用扁平螺旋線繞線技術，達到減小繞組空間和增加可靠性。目前，美國普思（pluse），美國線藝（coilcraft），VISHAY,日本NEC&TOKON,日本松下，SUMIDA,英國BItechnology等國外知名變壓器公司都在大電流輸出平面電感方面有批量產品供應，而國內目前還未看到類似產品。在這些產品中中，有采取復合磁芯，底座采取絕緣的NiZn，頂部采取鐵硅鋁的扁平螺旋線電感，如圖1所示一款NEC&TOKIN的產品：圖1:NEC&TOKIN的一款電感，最大額定電流可達30A也有采取塑膠骨架，鐵硅鋁作磁芯的電感，引線接頭采取壓接工藝，既滿足了大電流的要求接觸電阻小和高可靠性的要求，又滿足環(huán)保無鉛的要求。VISHAY采用作絕緣處理的粉芯材料一次沖壓成型的一體化電感，由于無需骨架，線圈先單獨繞制，再一次成型，不但高度更低，而且，噪聲更低，可靠性更高，瞬態(tài)電流抗飽和性更強。其最大額定電流可達60A,瞬態(tài)磁芯飽和電流可達120A.同時，渦流損耗很低，工作頻率可以工作到5MHz，如圖2所示：圖2：VISHAY的大電流電感在變壓器方面，平面變壓器應該是通訊行業(yè)變壓器發(fā)展的趨勢，目前，日本TDK,飛磁（以前的菲利普），英國MMG(現被英國TT集團收購)開發(fā)出了各種平面磁芯，以滿足市場需求，比如，針對板上型磁芯boardmountedpowersupply（BMP）(即變壓器繞組直接設計在電源主板的多層PCB上，磁芯直接粘接在主板上即可)，國際電工委員會（IEC）出臺的標準61860中，磁芯中柱類似橢圓，既減小了主板的開口面積，又減小了每匝線圈的長度，布線的允許寬度也增加，因此，Rdc/L更小，使得變壓器的銅損更低，響應更好。如圖3所示：圖32：網絡變壓器類目前，互聯網發(fā)展日新月異，我國互聯網同歐美相比，相對較晚，這對我國來說未嘗不是好處，可以減少許多不必要的彎路。涉及到電磁電感變壓器的網絡結構中包括傳輸網，交換網，和接入網，尤其今年，接入網發(fā)展速度非?？欤瑥膫鬏攲咏橘|來看，可以分為光纖接入技術，混合光纖同軸電纜（HFC）接入技術，銅線接入技術，目前，由于銅線接入技術能夠利用傳統(tǒng)的公共交換電話網的電話線，具有較好的性價比，比較適合中國國情而快速發(fā)展，目前ADSL接入網的發(fā)展速度非?？?，可以預見的是，VDSL的大規(guī)模發(fā)展已經不遠了，而其中涉及的寬帶變壓器是最關鍵的器件，網絡變壓器區(qū)別于傳統(tǒng)的功率變壓器，其設計理論基于傳輸線理論，要求較高的傳輸帶寬，而對功率要求卻不高，以下就寬帶變壓器的設計中磁芯的應用作一簡要論述?；纠碚搶拵ё儔浩鲗儆诰€繞式設計的磁性器件,在寬頻率范圍內進行能量傳輸.絕大多數寬帶變壓器廣泛應用在各種低功率的電信通訊設備方面.圖4圖4表示了寬帶變壓器的插損—頻率曲線的典型特性.變壓器的帶寬為f2與f之間的頻率間隔,或者是f2’與f1’之間的頻率間隔.從圖上可以看出,具有陡峭的截止頻率特性曲線的帶寬(f2'-f1')比平坦陡峭頻率特性(f2-f)更窄.從圖上也可以看出,三個頻段分別被表示出來.寬帶變壓器的截止頻率根據具體的變壓器的設計要求來決定,因此,下限頻率f1可以高于10MHz,也可能低于300Hz.帶寬也可能從幾百赫茲到幾百兆赫.寬帶變壓器設計的一個典型指標是中頻帶內的最大插損和截止頻率處的最大允許插損.圖2是一個變壓器的集總參數等效原理圖,將電路看成一理想變壓器,包含等效寄生電阻和感抗.副邊元件已經轉換到原邊,包括寄生和負載阻抗.圖5:變壓器集總參數等效電路其中Ea-表示激勵源Ra-表示源內阻Ll1-表示原邊漏感Lp-表示空載下(開路)原邊電感Rp-表示磁芯損耗的并聯電阻以下是副邊折算到原邊的元件參數:C2’-表示副邊繞組匝間分布電容R2’-表示副邊繞組的電阻Ll2’-表示副邊漏感Rb’-表示負載電阻圖6:簡化的變壓器等效電路其中:Cd=C1+C2’Rc=R1+R’L1=L+Ll2’其他電路參數請參照圖2為了簡化電路,將原副邊元件結合,簡化的等效電路如圖3,參數的物理意義列在等效電路下面.在低頻區(qū),傳輸特性變壞是由于低頻區(qū)較低的激勵阻抗所致.激勵阻抗隨著頻率的降低而下降,導致信號衰減增加.激勵阻抗中,原邊勵磁電感XLP占主要部分,忽略了產生漏電流的等效并聯損耗電阻.因此,插入損耗以原邊并聯勵磁電感表示如下:這里,R=Ra×Rb’/Ra=Rb’在大多數寬帶變壓器的設計中,在中心通頻帶內影響傳輸性能的主要是線圈電阻,由于線圈電阻影響的插入損耗表達式為:這里,Rc=R1+R2’在高頻頻段,傳輸特性主要受到線圈漏感和匝間分布電容的影響,此時,通常情況下線圈勵磁電感和線圈電阻都必須考慮,取決于電阻的阻抗特性.在低阻抗電阻中,由于漏感導致的高頻信號衰減表示如下:在高阻抗電路中,由于分布電容導致的高頻信號衰減表示如下:回顧以上三個頻段的插入損耗特性,可以得出以下結論:在變壓器設計中,鐵氧體磁芯的材料特性和形狀決定最低截止頻率處f1的每匝最高電感量.也就決定了低頻處達到設計要求的電感量所需要的最少線圈匝數.較少的線圈匝數恰好是中心頻段達到低插損要求所希望的,也有利于滿足頻率高端f2好的頻率響應所需要低的繞組寄生參數的要求.低頻和中頻頻段寬帶變壓器在寬帶變壓器的應用設計中,比較合適的磁芯是在低端下限頻率處有盡量高的初始磁導率的MnZn材料,比如磁導率為5K或7k,非常適合用于低頻和中頻寬帶變壓器的設計中.一般來說,變壓器并聯勵磁電感并不是最關鍵的參數,只要隨著頻率的提高,磁芯材料的磁導率為常數或者減小的速度比頻率提高的速度慢即可.可以肯定的是,設計變壓器時,只要下限頻率f1在MnZn鐵氧體的μi-f曲線的平坦部分即可.雖然在變壓器的整個通頻帶內,磁性材料的磁導率已經減小,但實際上對變壓器的通帶特性沒有影響.在寬帶變壓器的設計過程中,MnZn鐵氧體的幾何尺寸應該盡量減小線圈電阻和電感之比,即Rdc/L,換句話說,在磁芯上繞一匝的直流電阻和電感量的比值必須盡量小.國際電工委員會在IEC60133號文件里已經設計定義了最小的Rdc/L值的罐型磁芯.其它形狀諸如EP型和PQ型磁芯也能夠用于寬帶變壓器的設計中,通常情況下,最后選擇何種磁芯還會受到諸如線圈繞制的難易,線圈端頭處理和其他機械設計的約束所限制.帶靜態(tài)直流偏置磁場的寬帶變壓器在設計帶靜態(tài)直流偏置電流的變壓器器時,通過開氣隙磁芯來克服勵磁電感的跌落.通過廠家提供的漢納曲線可以幫助設計工程師評估直流偏置對電感量的影響.高頻段寬帶變壓器雖然對高中低頻段并沒有一個明確的劃分,但以下主要推薦使用NiZn材料作為高頻寬帶變壓器設計的磁芯.主要是指帶寬超過500kHz以上的寬帶變壓器的設計.在這段頻率范圍內,考慮磁芯材料的復數磁導率特性變得尤為重要,而不象在低頻段設計變壓器,僅僅考慮磁芯的簡單的磁性常數,比如電感因子AL.還有很重要的一點必須考慮到,那就是高頻段變壓器通常用于低阻抗電路中,因此,要求的激勵阻抗也比較低,這就意味著需要的線圈的匝數較少,因此,線圈電阻變得更小,對器件性能的影響變得不再重要,設計準則即最小化Rdc/L不再考慮.此時,設計的焦點主要關注在磁芯形狀和在下限頻率f1處到達要求的激勵阻抗的同時盡量減小繞組的漏感所要求的磁性材料特性.既然材料的磁導率特性以及磁芯損耗直接影響激勵阻抗的大小,因此,在高頻頻段寬帶變壓器的設計過程中就必須考慮到這些參數的影響.圖4,圖5和圖6是磁芯的阻抗,等效并聯感抗Xp以及等效并聯損耗電阻Rp的頻率特性.圖7圖8圖9對高頻頻段寬帶變壓器來說,環(huán)形磁芯是最佳選擇,達到要求的電感所需的匝數較少,繞制也比較容易,然而,較少的匝數對于獲得期望的阻抗變比帶來一定的難度.為了最小化線圈的漏感,建議原副邊采取雙絞線形式以達到原副邊的緊密耦合.還可以利用多孔磁芯取代相鄰的兩個磁環(huán)改善磁環(huán)的性能,同相等的尺寸因子C1的單磁環(huán)相比,多孔磁芯具有更短的每匝線圈長度,所以設計的變壓器具有更高的帶寬,許多寬帶變壓器利用NiZn鐵氧體取得了良好的效果.如果利用單磁環(huán)達不到要求的帶寬,可以使用多孔NiZn鐵氧體磁芯來設計.總結變壓器的下限頻率f1特性是選擇鐵氧體最重要的因素,在f1頻率處要求有盡量高的初始磁導率.MnZn材料下限頻率f1低于500kHz的變壓器設計.超過這個頻率,必須使用NiZn材料。在低頻和中頻頻段,選取磁芯外形的規(guī)則是使每匝線圈的直流電阻盡量小.如果電路要求有直流偏置電路,可以參照漢納曲線選取開氣隙磁芯.在高頻頻段,選擇NiZn鐵氧體材料.小磁環(huán)和多孔磁芯為優(yōu)選的磁芯外形.線圈的匝數盡量小以便降低漏感和匝間分布電容.原邊和副邊繞組通過雙絞線達到緊耦合以減小漏感.對ADSL網口變壓器，目前普遍選擇的是EP（EP13/EP10/EP7）磁芯。在信號傳輸中，必須要求阻抗匹配，以降低信號的反射和振蕩，同時，由于磁芯磁化的非線性，會產生高次諧波，如何降低高次諧波是提高網絡傳輸質量的關鍵參數，因此，磁芯的總諧波失真THD（Totleharmonicdistrion）必須盡量小，對于磁芯工作在小信號情況下，材料特性滿足Rayleigh（瑞利）方程，因此，需要使用高磁導率磁率和適當開氣隙。通過理論推導可知，諧波中偶次諧波正好抵消，只有奇次諧波，而三次諧波占絕大部分，因此，只要減小三次諧波的幅度，THD即可明顯降低。因此，對磁芯材料廠家來說，如何調整材料配方和燒結工藝以降低三次諧波就變得非常重要。三次諧波計算公式如下：THD的測試電路如下：圖10同時，為了進一步降低THD,磁芯廠家對磁芯的外形結構也作了優(yōu)化.如圖11所示的中心柱類似橢圓的EPO或EPX磁芯，通過這種改進，THD得到進一步改善（圖11b中，CDF表示諧波失真因子）。圖11a圖11b在寬帶變壓器中,除了常用的1:1以外,還有其它阻抗變換比,下面是常用的變比方式:序號變換電路傳輸系數T≈T1×T2傳輸線磁芯數Lp/L備注T1(βl＜＜1)T2(│ωL│＞＞R形式最佳特性阻抗1)1:1隔直1+(R/4ωL)21/4RRb[(R+Rb)2cosβl+((RgRb+2Z)/2Z)sin2βl]一根傳輸線Z0=(RgRb)0.5/2142)1:1倒相1+(R/ωL)21/4RRb[(R+Rb)2cosβl+((RgRb+2Z)/Z)sinβl]Z0=(RgRb)1用于幾百兆赫以下用于幾百兆赫以上3)1:1不平衡-平衡1+(R/4ωL)三線傳輸線Z≈(RR)/214也可以用一根雙線傳輸線加一個平衡繞組實現,此時Z=(RR)一根傳輸線Z=(RR)負載或電源內阻要有實在的接地點4)1:2.25不平衡-不平衡1+(R/4ωL)三線傳輸線14幾百兆赫以下5)1:4不平衡-不平衡1+(R/ωL)1/(4RR(1+cosβl))×{((RR+Z)/Z)sinβl+[Rcosβl+2R(1+cosβl)]}一根傳輸線11傳輸線的最大長度約為自由空間波長的1/8寬帶阻抗變換器常用變換電路匯集序號變換電路傳輸系數T≈T1×T2傳輸線磁芯數L/L備注T1(βl＜＜1)T2(│ωL│＞＞R形式最佳特性阻抗6)1:4不平衡-平衡1+(R/ωL)1/(4RR(1+cosβl))×{((RR+Z)/Z)sinβl+[Rcosβl+2R(1+cosβl)]}一根傳輸線Z0=(RR)/217)1:4平衡-平衡1+(R/4ωL)1/4RR[(R/2+R)cosβl+((RR+Z)/Z)sinβl]一對傳輸線Z≈(RR)8)1:4平衡-平衡(cable)1+(R/2ωL)9)1:4不平衡-平衡1+(R/ωL)一對傳輸線Z≈(RR)2110)1:4不平衡-不平衡1+(R/ωL)三線傳輸線Z≈(RR)1111)1:4平衡-平衡三線傳輸線Z≈(RR)11序號變換電路傳輸系數T≈T1×T2傳輸線磁芯數L/L備注T1(βl＜＜1)T2(│ωL│＞＞R形式最佳特性阻抗12)1:4不平衡-平衡1+(R/ωL)三線傳輸線Z=(RR)1113)1:-4不平衡-不平衡1+(R/ωL)Z=(RR)14)1:9不平衡-不平衡1+(5R/ωL)一對傳輸線Z=(RR)21/515)1:9不平衡-不平衡1+(R/ωL)三線傳輸線Z=(RR)1116)1:9平衡-平衡1+(R/ωL)一對傳輸線Z=(RR)1117)2.25:1不平衡-不平衡1+(2R/9ωL)1/RR[(RR+Z/Z)×(2/3R+3/2R)cosβl]三根傳輸線Z=(RR)39/2注意:l為一個繞組的傳輸線長度,或所套磁環(huán)的長度,L為一個繞組的電感量,或所套磁環(huán)單導線的電感量Z為傳輸線特性阻抗Z為最佳特性阻抗Z為奇模特性阻抗Z為偶模特性阻抗Rg為電源內阻Rb’為折算至初級的等效負載(=R/n,n為匝比)β為相位常數(2π/λ)Lp為負載開路時的初級電感T為最佳傳輸系數R=RgRb’/(Rg+Rb’)T1并聯電感傳輸系數T2變換電路本身的傳輸系數3電磁兼容部分隨著國家CCC認證的強制實施，歐美以及日本出口的安全規(guī)定的強制執(zhí)行和加強檢驗等級（由A級到B級），電子產品的電磁兼容設計難度和設計方法都必須引線工程師的注意，在實施電磁兼容過程中，對EMC元器件和材料的正確選取是重要的最后一環(huán)，因此，必須對磁性材料的特性必須進行充分的了解。大家知道，干擾分為傳導干擾和輻射干擾兩種干擾途徑，而傳導干擾由分為共模（CM）和差模（DM）干擾，本文主要討論傳導干擾（對輻射干擾在以后的文章再論述），EMC常用的磁芯分為幾類：包括MnZn鐵氧體；NiZn鐵氧體；鐵粉芯；鐵硅鋁等，非晶超微晶材料.下面分別就以上材料各自的特點一一介紹：共模電感（CMC）常常選用高導MnZn材料，這是為了盡量提高電感量（尤其是低頻段，只有提高磁導率才能提高線圈的阻抗，增加對低頻噪聲的抑止效果），然而，由于MnZn的磁導率常用的為7000左右，最高也就12000左右，因此，在低頻段還不足以提供足夠高的阻抗。而非晶或超微晶材料卻具有非常高的初始磁導率達到幾萬，如圖12所示,因此，在低頻有更高的阻抗，過去未普遍使用，有以下幾個方面的原因：一方面是價格偏高，另一方面對電磁兼容未強制執(zhí)行，另外，由于非晶超微晶高頻特性較差，無法跨越MnZn的使用頻段，使其使用性受到限制，目前德國VAC公司開發(fā)出了特別適合作共模電感的材料。其阻抗曲線如圖13圖12圖13a圖13b從圖12a和12b可以看出，超微晶材料VITROPERM覆蓋的頻率范圍比MnZn更寬,尤其在低頻段,能夠更好的抑制的低頻噪聲,相同線圈匝數情況下,提供更高的阻抗,同時,從圖13可以看出,相同的阻抗對應的磁芯體積大大減小,這對于空間限制非常嚴格的通訊電源來說,非常具有誘惑力.圖14而差模電感由于需要避免磁芯的飽和,因此,對于大電流,常常選用能夠抵抗直流偏置的材料,包括鐵粉芯,鐵硅鋁,高磁通磁芯(highflux),MPP等.具體選擇何種材料根據實際需要和性價比進行選型,以下為各種材料參數的比較.ComparisonofInductorCoreMaterialsIronPowder鐵粉芯Hi-Flux高磁通磁芯Super-MSS鐵硅鋁MolybdenumPermalloy鉬坡莫合金Ferrite鐵氧體BasicMagneticMaterialCompositionIron50%Nickel,50%IronAlloy85%Iron,9%Silicon,6%AluminumAlloy81%Nickel,17%Iron,2%MolybdenumAlloyManganese-ZincOxidesJoinedwithIronOxidesPermeabilityRange3to8514to16060to12514to350SingleAirGapMaximumSaturationFluxD