宽带变压器磁芯的设计考虑

摘 要：叙述宽带变压器传输特性及对磁芯和线圈的要求，提出设计和选择铁氧体磁芯的特性和形状尺寸的基本原则，扼要介绍国内外最新发展的高磁导率铁氧体材料的技术特性。
关键词：宽带传输特性，有效衰减，截止频率，磁芯损耗，高磁导率铁氧体材料。

宽带变压器已广泛应用于通信系统，宽带变压器可用于不同阻抗的匹配，以进行对称（平衡）与不对称（不平衡）电路的耦合；以及作为隔离直流的变压器。最近以因特网为中心的宽带通信市场正在快速增长，传输系统大量地由数字技术代替模拟技术，综合业务数字网络（ISDN）给用户提供了一个高度带宽的语言、文字、数据和图象通信的公用平台，而数字用户线（XDSL）则可将中心交换局和电话用户直接连接，这时要采用铁氧体磁芯制成的接口变压器和耦合变压器，这种接口变压器就是一个传输矩形脉冲信号的宽带变压器。必须指出，宽带变压器与功率变压器不同，它工作在低电平范围，电压振幅很小，因此本身发热现象可不予考虑；但这类变压器要求在尽可能宽的频带区域有小的损耗与畸变，为此需要特殊的铁氧体材料和磁芯形状，宽带变压器使用频率可划分为低频和中频宽带变压器（低端频率在几百KHz以下）及高频宽带变压器（低端频率在几百KHz以上，直到100MHz)。
1 宽带变压器的传输特性----基本衰减
宽带变压器的损耗通常用有效衰减α来表示，它定义为真实变压器次级电压（或功率）与理想变压器次级电压（或功率）的偏差：
α=1n(V次（理想）/V次（真实）)=1n（P次（理想）/P次（真实））（1）
或用分贝（dB）来表示有效衰减：
α=201og（V次（理想）/V次（真实））（dB）=101og（P次/（理想）/P次（真实））（dB）-------------------（2）
宽带变压器有效衰减与频率的关系如图一所示，其带宽截止频率表示为ω1和ω2（ω=2πf）。由图可见，基本衰减为α0，在截止频率处有效衰减增为（α0+3dB）。根据公式（2）可计算得到功率损耗50%，或电压下降30%时的频率，定义为截止频率[1]。

2 设计考虑
宽带变压器在尽可能宽的频率范围内，要求信号传输时有小的损耗和畸变。为此对线圈和铁氧体磁芯提出一些特殊的要求。对于一个无损耗和无分布电容的变压器来说，当达到阻抗匹配时，极限频率可表示为[2]：
ω1=Ri/2Lp1
ω2=2Ri/Ls1-----------(3)
式中：Ri=初级电阻
Lpl=初级电感
Lsl=漏感
则ω2/ω1=f2/f1=4Lpl/Lsl------（4）
上式表明，提高工作频带宽度主要是要求有大的初级电感，尽可能小的漏感。
以上仅考虑变压器感抗引起的衰减，实际上变压器绕组和磁芯均会消耗能量，传输信号将有附加衰减。在工作频带范围的基本衰减量α0可表示为：
α0=αN+αk ------（5）
式中， αN=线圈绕组损耗引起的附加衰减量；
αk=磁芯损耗引起的附加衰减量。
如果限制在匹配条件下，在下限频率ω1处，αN由下式表示：
αN≈AR/ω1AL=1/ω1τ0 ------（6）
式中，AR=R/表示单匝线圈的电阻，由线圈形状决定；
AL=L/表示单匝线圈的电感，与磁芯材料磁导率及磁芯形状有关。
τ0=直流时间常数，即
τ0=AL/Ar.
从（6）式表示，变压器的直流时间常数τ0值愈大，由绕组损耗引起的衰减量αN愈小。这意味着要有大的AL值，和小的AR值，即要求磁芯有最大的有效磁导率μe和小的磁芯有效参数C1。C1是几何因子，小的磁路长度Le和大的磁芯截面Ae可得到小的C1。
由磁芯损耗引起的衰减量αk可表示为：
αk≈ω1Lp1/Rp1=(ω1/ω)tgδk--------------------(7)
式中， Lp1=初级并联电感；
Rp1=磁芯并联损耗电阻；
tgδk=磁芯损耗因数；
由（7）式可见，当ω=ω1时，αk=tgδk。对于闭合磁路磁芯（如环形磁芯），磁芯的损耗因数与材料的损耗因数（tgδk）相等；但对于组合磁芯（如EE型、罐型磁芯等），应根据有效的磁导率μe来确定tgδk，
tgδk=(μe/μi)tg--------（8）
磁芯接合面不可避免的气隙使μe<μi，因此通常组合磁芯的tgδk小于材料的tgδ。如果频率高于ω1时，可以利用复数磁导率的并联等效电路来适当地估算αk值，这时要考虑损耗分量μp”。
因为
Lp1=μeμ0Ae/1e
Rp1=ωμ0μp”Ae/1e
代入（7）式，得到
αk≈W1μe/Wμp”--（8）
由上式可知，αk值的频率特性曲线是由分母中ωμp”（或表示为fμp”）决定的，该项是与气隙情况无关的材料特性，（图二）示出几种高导磁率铁氧体材料在低电平时1/fμp”与频率关系曲线。由图可见，高频时此值低于低频时测量值，在中间频率，αk值要经过一个最小值，此最小值往往位于材料使用上限频率fmax附近或略高一些地方，在高频时，各种材料都趋向于相差不多的数值。总的来说，在低频端，磁芯特性对宽带变压器传输衰减特性有很大的影响。影响低频段插入损耗的主要参数是R/ωLp。若低端截止频率ω1位于铁氧体材料使用频率范围内，材料磁导率保持为常数，即Lp基本不变，随频率下降，R/ωLp将上升。通常要求一个最小的Lp，增大Lp可以减小变压器的损耗。

在中频区域，传输特性主要受线圈阻抗影响，或表示为与R/RP有关（RP为磁芯损耗电阻）。由于在此频区RP很大，对中频区域损耗影响已很小；如果绕组电阻R由于高频涡流影响而增加很多时，那么中频损耗将增加。通常认为中频损耗可考虑为两种损耗电阻的共同影响。在高频区域，传输特性主要受漏感和分布电容的影响。有时高频特性由漏感或分布电容单独确定，如低阻抗电路，漏感影响是可观的，分布电容可忽略；对高阻抗电路，则是相反的。但是，通常应考虑漏感LS与分布电容CS的共同影响。高频截止频率ω2=1/（LsCs）1/2，因此当应用于更宽频带时，减小漏感LS和分布电容CS是重要的。
对于规定的磁芯形状来说，降低漏感主要是提高变压器初级和次级的耦合，以及采用宽而浅的绕组面积。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。当考虑漏感和分布电容共同作用时，对一个双绕组不分段变压器来说，LsCs∞（1W是平均匝长），同此高频截止频率ω2∞1/N11w。[3]由此可见，为获得好的高频特性，选择小尺寸并有高AL值的磁芯，采用宽而浅的绕组截面，或用分段绕组，均可使高频截止频率提高。除了传输衰减因数以外，有时还要考虑畸变因子，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，这时会显示出附加的损耗，并产生附加的谐波，这时磁芯衰减分量αk将按下式考虑：
αk=(ω1/ω)(tgδk+tgδh)
式中，tgδh磁芯磁滞损耗因子在低频端，磁滞损耗分量对衰减效应有明显的影响，在高功率信号电平时还会产生谐波，因此，为获得高质量的宽带变压器，铁氧体磁芯应有小的磁滞损耗。在有直流叠加时，磁芯的偏磁特性是重要的，例为ISDN用的接口变压器。直流叠加使磁芯电感下降，这时大的磁芯截面积和研磨有空气隙可增加动态范围。
当使用大截面的MnZn铁氧体磁芯，在大于20KHz中频或高频时，可能会出现尺寸共振现象。尺寸共振损耗可引起磁芯有效磁导率下降。随着磁芯截面积减小，尺寸共振频率可提高，因此高频宽带变压器希望使用较小尺寸的磁芯；另外，尺寸共振频率与成正比，适当的磁路气隙可使共振频率向高频移动。
3 磁芯材料与形状尺寸的选择
前面已经叙述，磁芯特性对低频端变压器传输特性有大的影响，从降低插入损耗考虑，应选择尽可能高AL值的磁芯，采用高磁导率的铁氧体材料是有益的。但是，高磁导率材料往往其磁导率开始下降的频率较低，我们希望低频截止频率f1，处于磁导率平坦区域，即要求磁导率实部μ’-f关系从高数值尽可能迟地下降；同时，从降低磁芯损耗考虑，则要求磁导率虚部μ”从低数值尽可能高的频率时不上升。
对于低频或中频宽带变压器通常使用MnZn系高磁导率材料。早年，工业化生产的铁氧体材料最高导磁率约10000左右，近年来，国内外均相继开发成功μ1=12000～15000铁氧体材料，并已实现工业化生产。如日本TDK公司1994年开发成功的H5C3材料，德国西门子公司1995-1997年相继开发成功的T42，T46材料等（见表一）。国内μi=10000～12000材料也已能批量生产。另外，从展宽频带考虑，要求开发具有宽频特性的高磁导率材料。日本TDK公司有HS72材料等，德国西门子公司，传统的高导磁率材料是T38（μi=10000）100KHz时μi已下降；新开发的材料有T37和T44材料，磁导率稍有下降，但有展宽的频率范围，在200KHz时，μi未下降；400KHz时，约下降为初始磁导率的80%（见图三），由于μ’下降和μ”上升的频率范围扩大，宽带变压器可使用较少的匝数，因此可保证尽可能小的漏感。


下面叙述磁芯尺寸和形状的选择原则。前面已经指出，宽带变压器为提高带宽，设计时要求有尽可能小的LωC1，因此小尺寸以及扁平形状的磁芯特别适合于宽带变压器。如果没有直流叠加及磁芯饱和问题，则采用环形磁芯或双孔磁芯是最适宜的，因为这种磁芯漏感很低，并有高的有效磁导率。环形磁芯增大d2/d1可减小C1（d2为外径，d1为内径），因此内径d1应尽可能小。一种带有小孔的圆柱形磁芯（或称磁珠）可获得较大的带宽。要注意，太大的外径d2会使体积增大，从而增大LSCS值，使高频截止频率下降。
双孔磁芯相当于两个环形，有更小的C1值，对改善带宽更具有优越性。该磁芯缺点是不能绕制太多的匝数。
当采用成对组合磁芯时，接合面应进行超精研磨，使剩余气隙尽可能小（如小于1μm），以保证有高的μe值和AL值。图四示出接合面气隙对磁芯有效磁导率的影响。图中1g是气隙长度，1e是有效磁路长度。因此，材料磁导率越高，微小的气隙的影响更大。

（图四）有效磁导率和材料磁导率的关系（各种气隙长度和磁路长度比值1g/1e）
组合磁芯常用的磁芯是EE型磁芯，但从减小漏感观点来说，大尺寸E形或U形磁芯是有问题的，但小的E形磁芯经常使用。E型磁芯中间方腿限制了应用，因为矩形绕组增加了绕组长度1ω，而增加了漏感。中间呈圆腿的EC型或ETD型（又称ER型）磁芯较适合使用，因为圆柱形线圈有利于减小漏感和分布电容。罐型磁芯提供了最小的Rdc/L值，有良好的磁屏蔽，并可采用高磁导率材料。罐型磁芯缺点是引出线沟槽较窄。新发展的RM型（又称方罐型）磁芯克服了这一缺点，每一边都有足够宽的沟槽，适合多个引出线接头，近年来得到更广泛的应用。EP型磁芯有大的磁路截面积，小的磁芯形状系数C1，经常在宽带变压器中采用。另外，新发展的适合表面贴装的低矮型ER，RM磁芯等，均是最佳的选择。有关低矮型磁芯尺寸系列，IEC最近已有推荐标准，可供参考。
参考资料：
1. J.Hess. “Siemins Components” Vo130 No2 Mar/Apr 1995
2. V.W.Kampczyk. and E.Ross. “Ferritkerne” 1978
3. E.C.Snelling “Soft Ferrites” 1969