开关电源用低高度电感器件

个人计算机、手机等各种电子设备都向高性能小型化发展，从而要求作为电子设备心脏的电源提高开关频率而实现小型化，只有电源所用的各种器件小型化以后，整个电源的小型化才容易实现。因而要求采用低高度小型化电感器件。为了使电感器件达到低高度小型化，必须改进以前主要用的磁性材料铁氧体，还要采用其他新的磁性材料。本文介绍日立铁氧体电子公司开发的几种开关电源用低高度电感器件。
1.进线滤波器
进线滤波器是吸收电磁干扰的器件，根据SISPR规定，要在~0.5MHz下对干扰噪声有比较大的衰减作用，要求线圈的电感值比较大。同时它连接交流电网，结构设计上要考虑使用中的安全规定。现在用的MnZn铁氧体电磁干扰进线滤波器体积大。要把它改为高度小型化结构，必须换磁性材料。日立公司用纳米金合金（Finemet）开发出QFR系列片式进线滤波器，尺寸大幅度减少，外形尺寸最小15×15×5.5，在10kHz下电感4-14mH，在100kHz下电感1.3-4.4mH，可表面安装。两种材料比较见表1，可以看出纳米晶合金明显优于MnZn铁氧体。


2.功率因数校正有源滤波器线圈
功率因数校正有源滤波器基本上采用升压型电路，其中的滤波器线圈要注意以下几点：
（1）流过的峰值电流大，有可能造成磁芯饱和。一般工作在连续方式下，峰值电流最大可达到输入交流电流有效值3倍以上。工作在不连续方式下，峰值电流最大可达到输入交流电流有效值5倍以上。这样，就要求磁芯直流叠加特性要有充分的余裕度。
（2）线圈的电感值过大，有可能使电路设计造成困难。
（3）如果用EE型铁氧体磁芯，在大功率时为了避免饱和，必须开气隙。从而带来漏磁、噪声和线圈涡流发热等问题。
由于绕线自动化困难，也难以保证输入输出耐压，也不能具有分散性气隙的环形磁粉芯。
日立公司独自开发出采用E型FeSiAl磁粉芯的有源滤波器线圈。磁粉芯的基本特性为：有效磁导率100，在80A/cm下磁通密度为0.6T，在160A/cm下磁通密度为0.78T，磁芯损耗900KW/m3，居里点温度>400oC。试制产品的外形尺寸为26×23×12，可以制成1A0.6mH和0.5A2.4mH的有源滤波器线圈。

3.薄型输出变压器

要使输出变压器降低高度，变为薄型输出变压器，必须：（1）磁芯变薄，图1表示两种变薄的方法，第1种方法使磁芯截面积增大，线卷圈数和电阻减小。第2种磁芯截面积减小，线卷圈数电阻增加。
（2）使线圈变薄，日立公司采用截面为扁平的三层绝缘电线绕线圈。另一种方法是用印刷线路板制成螺旋状线圈。也可以把两种方法组合起来用在一个变压器上。
对开关电源电路进行分析，小型电源采用正激式电路，变压器线圈中流过的电流为矩形波，并含有直流分量。变压器在高频下工作，采用原来的结构，趋表效应，邻近效应使线圈铜损增大。采用低高度结构后，导线变薄，趋表效应和邻近效应造成的交流铜损减少。导线截面增加，直流电阻减小，线圈的直流铜损也减少。这样整体铜损减少，因此正激式电路是采用低高度变压器的最佳电路方式。

日立公司开发的STH-50型低高度变压器可作为一个应用实例。磁芯采用扁平型磁芯，线圈采用双面印刷线路板用70μm铜箔制成的三个绕组。图2是线圈结构，图3是外形图，外形尺寸为25×25×7.5。
同时还开发出采用三层绝缘电线和印刷电路板混合型线圈的低高度变压器，已用于100kHz以上的开关电源。

4.滤波电感器线圈

滤波电感器线圈是开关电源中使用最广的器件，最重要的是要求直流叠加特性要好，在100oC高温下也能工作，电感值的变化也要一致性好。对小功率滤波电感器线圈，磁芯采用铁氧体。对大功率滤波电感器线圈，磁芯多半采用非晶合金和磁粉芯。
日立公司采用低高度铁氧体磁芯开发片式EWC系列滤波电感器线圈，其结构如图4所示，EWC1800滤波电感器的外形尺寸为19×18.5×5.5，同时还开发出磁芯饱和特性好的FeSiAl磁粉芯的片式QHD系列滤波电感器线圈。这两系列的特性见图5。■
参考文献：1.下田康生.小谷干雄：“开关电源用低高度电感器件” 日刊《电子技术》1998年第4期