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影响THD的若干因数

2007-03-30 19:11:45 来源:《国际电子变压器》2007年3月刊 点击:1079

1引言
近年来,变压器生产厂家和软磁铁氧体生产厂家,在电感器和变压器产品的总谐波失真指标控制上,进行了深入的探讨和广泛的合作,逐步弄清了一些似是而非的问题。从工艺技术上采取了不少有效措施,促进了质量问题的迅速解决。本文将就此热门话题作一些粗浅探讨。
2历史回顾
总谐波失真(Total harmonic distortion),简称THD,并不是什么新的概念,早在几十年前的载波通信技术中就已有严格要求<1>。1978年邮电部公布的标准YD/Z17-78“载波用铁氧体罐形磁心”<2>中,规定了高μQ材料制作的无中心柱配对罐形磁心详细的测试电路和方法。如图1电路所示,利用LC组成的150KHz低通滤波器在高电平输入的情况下测量磁心产生的非线性失真。这种相对比较的实用方法,专用于无中心柱配对罐形磁心的谐波衰耗测试。这种磁心主要用于载波电报、电话设备的遥测振荡器和线路放大器系统,其非线性失真有很严格的要求。
图1中:ZD——QF867型阻容式载频振荡器,输出阻抗150Ω,
Ld47——47KHz低通滤波器,阻抗150Ω,阻带衰耗大于61dB,
Lg88/Ld88——并联高低通滤波器,阻抗150Ω,三次谐波衰耗大于61dB;
FD —— 30~50KHz放大器,阻抗150Ω,增益不小于43dB,三次谐波衰耗b3(0)≥91dB,
DP—— Qp373选频电平表,输入高阻抗,
L ——被测无心罐形磁心及线圈,
C ——聚苯乙烯薄膜电容器CMO-100V-707APF±0.5%,二只。
测量时,所配用线圈应用丝包铜电磁线SQJ9×0.12(JB661-75)在直径为16.1mm的线架上绕制120匝,(线架为一格),其空心电感值为318μH(误差1%)。
被测磁心配对安装好后,先调节振荡器频率为36.6~40KHz,  使输出电平值为+17.4 dB,即选频表在22′端子测得的主波电平(P2)为+17.4 dB,然后在33′端子处测得输出的三次谐波电平(P3),则三次谐波衰耗值为:
b3(+2)= P2+S+ P3
式中:S为放大器增益dB
从以往的资料引证,就可以发现谐波失真的测量是一项很精细的工作,其中测量系统的高、低通滤波器,信号源和放大器本身的三次谐波衰耗控制很严,阻抗必须匹配,薄膜电容器的非线性也有相应要求。滤波器的电感全由不带任何磁介质的大空心线圈绕成,以保证本身的“洁净”,不至于造成对磁心分选的误判。
为了满足多路通信整机的小型化和稳定性要求,必须生产低损耗高稳定磁心。上世纪70年代初,1409所和四机部、邮电部各厂,从工艺上改变了推板空气窑烧结,出窑后经真空罐冷却的落后方式,改用真空炉,并控制烧结、冷却气氛。技术上采用共沉淀法攻关试制出了μQ乘积60万和100万的低损耗高稳定材料,在此基础上,还实现了高μ7000~10000材料的突破,从而大大缩短了与国外企业的技术差异。当时正处于通信技术由FDM(频率划分调制)向PCM(脉冲编码调制)转换时期,日本人明石雅夫发表了μQ乘积125万为0.8×10-6,100KHz)的超优铁氧体材料<3>,其磁滞系数降为优铁氧体2001F的1/7,因而能大大改善谐波性能。在他的文章中早就指出,低损耗高稳定材料超优铁氧体中,对小型化影响最大的是与磁滞系数相关联的这部分损耗,它对开动状态下电感波动的影响远比比损耗系数tgδ/μ大。换句话说,超优铁氧体的优势不仅在于其创记录的μQ乘积,更在于其优良的磁滞系数,它使工作状态下更稳定,更满足线路滤波器对非线性失真的要求。直到数字技术已完全取代模拟技术的今天,当年的优铁氧体2001F,N48等材料仍在发挥作用。这些行业前辈们开拓性的工作成果功不可没,这也是我们继续跟进的宝贵财富。
3技术要求与应对措施
随着网络通信技术的发展,出现了主流宽带接入技术数字用户线(XDSL),它可以方便的利用现有通往千家万户的有线电缆,更高速的传输图像、语音、数据和文件。兼顾传输速度和传输距离两项重要指标,目前最热门应用的当属其中的非对称数字用户线(ADSL)系统。载波通信技术(模拟)调制解调器在宽带4KHz时,可达到最高传输速度56.6Kbit/s,而运用数字技术的(ADSL)系统,其上行传输速度为1Mbit/s,下行则高达8Mbit/s<4>。高速数字传输的实现得益于高品质的铁氧体器件,这些磁心被广泛用于阻抗匹配和信号隔离与转换的接口变压器、变量器,以及声音、数据分频和噪声抑制的各种带通滤波器中。但是,由于这些磁心材料的磁通密度B和磁场强度H的非线性关系,会使得通过其上的电压、电流波形发生畸变,也就是引起信号失真。这种失真会导致数据传输的误差和信息丢失,降低传输距离,增大线路损耗。显然,关键元件铁氧体磁心的某项性能直接导致了总谐波失真THD值的增大,从而造成了上述一系列弊病。这项性能就是铁氧体材料的磁滞常数ηB(Hysteresis constant),或称比磁滞损耗系数。正像前文所述,模拟通信时代,最适用的软磁铁氧体是高稳定、低损耗的高μQ材料,如德国SIEMENS公司的N48,日本TOKIN公司的2001F,四机部的R2KD、R2KQ和邮电部的M2K1(L型)等型号。这些材料比损耗系数tgδ/μ,比温度系数TKμ/μ,比减落系数DF很低,特别是比磁滞损耗系数ηB小,更适应高保真线路滤波器的需求。随着数字网络的更新换代,虽然这些材料仍能维持一席之地,但早已满足不了整机的更高要求。现在的高通和低通滤波器组成的分离系统已经不是简单的无源网络,还要叠加100~200mA的偏置直流,而且有些还要求交直流叠加后的电感量控制在一定的上、下限范围。为保证频响效果和减少传输信号衰减,既要电感量高,又要线圈直流铜损小。这就要求磁心材料磁导率μ高,品质因素Q高,磁滞常数ηB低,直流偏置特性DC-Bias好。日本TDK公司逐次推出DN40、DN70在宽温范围降低了ηB,而德国EPCOS公司改进了T38和新推出T66,荷兰Ferroxcube公司推出了3E55,则从更高μ值角度保证了宽温低ηB特性。后两家公司还分别推出了高μQ,高Bs低ηB材料N45和3B46,以降低总损耗和增强直流偏置特性。日本JFE公司也紧随其后,相应的推出了SK302和SK202G材料<5>。
我们精研公司应对客户要求,在上述几个方面,从工艺配方上相应改进,收到了较好效果。一些需引起同行注意的问题,特提出来供大家参考。
首先,通信网络中的电感器、变压器、高频扼流圈等都是在低磁通密度下工作,以保证信号高保真、宽频带、较远距离传输。这对软磁铁氧体是个有利条件。其次,传输的音频信号、频响要求以及THD指标测量都是低频下进行,这就是说,使用的这些EP型、RM型磁心不必刻意追求使用高μQ,高Bs材料,而使用改进性能的高μ材料应为上策。对高μ材料的改进,必须注意低频下磁导率的频率特性,特别是音频段。这是人们往往忽略的区间,在此区间电感量的波动会直接影响传输距离和传输速度。磁滞常数ηB其本质是低频、低场下磁滞损耗的波动,即:

这里测试频率f用10KHz,B2=3mT,B1=1.5mT,μe为磁心有效磁导率
ηB小,就是要求在两个低场下,损耗的变化小,而Q=1/tgδ,则要求材料在瑞利区有平缓的tgδ-H或Q-H曲线。即改善品质因素Q的低频、低场特性就可降低ηB,从而减小THD。
对于直流偏置特性(DC-Bias),多数人追求高密度、高Bs值来达到目的。但TDK公司的DN40、DN70、DN45、DNW45材料以及前述的几种高μ材料都没有很高的Bs值。却能胜任较高直流偏置电流,我们对比试验了西海SK202G粉料,同TDK公司DNW45一样,其宽温 DC-Bias特性良好,而且比损耗系数tgδ/μ很低。Bs450mT左右,Br特性很好。人们追求低Br时,可能不合适的工艺配方会造成高温Br反而大于常温Br值,影响了宽温DC-Bias特性。注意到新推出的材料T66和SK202G,两者低频比损耗系数都小于1×10-6(10KHz,25℃),除了前面分析的低频、低场损耗特性的改善目的外,是否因大大降低了比损耗系数更有利于改善DC-Bias特性?因为一些公司公布的材料特性和专利技术往往有意遗漏和误导,我们应当全面分析、判断,运用基础理论和应用经验,找准问题切入点,才能制定出有效的工艺技术措施,顺利解决难题。
4 THD分析
由于铁氧体材料B~H的非线性关系会导致传输信号波形失真,其总谐波失真THD近似表示为:

式中:P3为三次谐波的功率,P1为基波的功率,V3为三次谐波的电压振幅,V1为基波的电压振幅。
这里P3/P1功率比的常用对数值,单位称贝尔(欧洲人爱用这个比值的自然对数,单位称奈培N),十分之一贝尔简称分贝(dB),所以分贝是个中西合璧的称谓单位。当dB为正值时,表明是增益,即信号被放大了,当dB为负值时,表明损耗,即信号被衰减了。分贝是电信工程中使用的传输单位。它的另一个意义是表明电平的高低,也就是说明功率大小的单位。
下面分析几个因素对THD的影响。任何一个测试磁心电感THD的电路,本质上就是一个由L.R.C组成的复杂网络,其THD值表现的是被测电感器或变压器的特征参数,并不是纯磁心的唯一贡献。至少与以下三个参数密切相关:

式中:ηB为材料磁滞常数,CDF为磁心失真因子,DTC为变压器失真系数。
这里ηB与磁性材料特性有关,而CDF是磁心形状、尺寸对THD的影响因子,相同材料、不同形状与尺寸,其CDF不同:

其中SDF是磁心形状失真因子

由于,所以

式中:为磁心有效磁路长度,Ae为磁心有效截面积,为平均线圈长度,AN为线圈截面积
因此改进磁心的形状设计,如EP13从中心圆柱变为EPX13的中心椭圆柱就大大减少了CDF,改善了THD性能。至于DTC则反映了变压器绕组设计和外电路阻抗等对THD的影响。
总之,磁心的形状、尺寸以及绕组线圈绕制、骨架结构和外电路设计,加上磁心磁滞系数三大因数一起决定着总谐波失真THD的大小。为求得最佳效果,必须三方设计者充分优化试验、通力合作方可。现在一般磁心制造商往往是用户提供或代购的仪器与测试系统,按要求对口检测、筛选磁心。双方随时沟通,产品性能波动不大。这种相对比较测试的方法还是行之有效的,但假如横向比较,或者系统波动时,其数据就令人费解了。正像Philips公司产品目录中THD测量部分所指出的,必须经常检查系统测量环境和测试电路,以便使电路修正系数尽可能保持低值,避免测量值落在无法分辨的范围(<-80dB),否则会导致误差,造成误判。历史的经验和现状都说明,THD的测量是项十分精细、敏感的工作,往往会差之毫厘,失之千里,必须慎重对待。
5结语
降低THD是减少非对称数字用户线ADSL技术中,调制解调器所用传输变压器波形失真、误码和噪音的有效措施。为保证传输速度和距离,除合理选择磁心形状、尺寸以及减小磁心失真因子CDF,优化变压器绕组设计和外电路阻抗匹配,从而减小变压器失真系数DTC外,重点还在于制作低损耗、高稳定、磁滞系数ηB小的软磁铁氧体材料。这些材料首选高μ、高μQ系列中μ-f,μ-T,Q-H, ηB-T,DC-Bias诸特性佼佼者,通过独到的工艺技术手段,改善低频、低场性能,可有效控制产品质量。
本文所述观点得到了不少专家,学者启发与指教,有关试验全仗公司同仁鼎立合作与协助。一份耕耘,一份收获。笔者忘不了在磁学本科和国企大厂完成的知识积累和技术铺垫,更忘不了二十多年来,虽历经坎坷磨难,但创新攀登之志不堕。有幸看到公司以独到工艺的特色产品取信于市场,深感欣慰!借此,特向母校恩师、业内前辈及所有支持、辅佐南京精研磁性技术有限公司顺利成长的朋友、同仁和热心客户,致以深深谢意。

参考文献
[1]专业通信理论,南京邮电学院讲义,1962年。
[2]载波用铁氧体罐形磁心,YD/Z17-78,邮电部标准1978。
[3](日)明石雅夫,高性能锰锌铁氧体“超优铁氧体”,                      磁性材料及器件,1971第二期。
[4]王耕福,宽带接入技术中的电感铁氧体元件, 磁性材料与应用产业资讯,2005.5期。
[5]TDK、SIEMENS、TOKIN、Philips、Epcos、Ferroxcube、JFE公司产品目录。

 

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