宽频高μ软磁铁氧体材料的设计参考

摘 要：简介了东磁公司开发的宽频高μ超高μ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μ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μi的磁场、应力、时间稳定性方面提供了设计参考。
关键词：软磁铁氧体 宽频 高μ

1.早在60年代德国人R諩S便已试制出10000以上磁导率(μi)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μi10000以上材料推向了通信市场。可是直到90年代末，日本人安原克志推出μi23000材料时其截止频率仍未超过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μi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。
2.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，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μi材料的最新性能，近两年他们在改进材料μi频率特性(μ-f)和阻抗特性(z-f)以及降低比损耗(tgδ/μi)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，这是老材料所无法比拟的，这个公司的T56(μi 20000)材料和2002年二月Philips公司网上公布的3E9(μi 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μ H5C5(μi 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) 。



3.东磁公司的宽频高μi材料，瞄准世界热销市场，加速科技创新进程，紧跟国外超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μ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。


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μ系列以高电阻率见长，适用频率更可达100MHz以上，宽频高μ材料μ-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tgδ/μi可小于2×10-6(10kHz)，因而其高频阻抗特性已达到西门子新T38材料水平，可供客户开发高性能宽带变压器、电感器选用。
4.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：

这里Ri为初级电阻值，LP为初级电感量，LS为漏感量，则：

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μe较高的磁芯。对环形磁芯其有效磁导率μe与初始磁导率μi相同，有效比损耗系数tgδ/μe与材料比损耗系数tgδ/μi相同，因而直接选用高μi低tgδ/μi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μe小于材料初始磁导率μi；μe/μi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
温度系数
有效损耗
磁滞系数
磁芯场强
磁芯磁感应
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μe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，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μi材料，但传统的高μi材料截止频率较低，因而，用户迫切需求宽频高μi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，μi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μi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δB与材料磁滞损耗tgδh的关系为：；在瑞利区材料比磁滞损耗系数ηB = 5/3·δB。

5.在国家标准(GB-9632)和邮电部标准(YD/Z 17-78)中，都规定了三次谐波失真系数δB(或THD)的测试方法，通信用配对磁芯电感THD的测试电路中，对标准线圈和高低通滤波器性能都有较高要求(图五)。各类磁芯材料的比磁滞损耗系数ηB指标各公司都有严格的要求，表五列出了各国使用的磁芯损耗公式及磁滞系数的换算关系供用户参考。值得提醒的是，比磁滞损耗系数ηB，如同μ-T、Bs-T、Pc-T、DF-T关系一样，与工作温度有很大关系，一般室温以下ηB较大，因而非线性失真较大。图六示出了几种高μ材料的ηB-T曲线，用户在长途传输的中继器设计选用材料时，必须考虑环境的影响。


图中：ZD-QF867型阻容式载频振荡器，输出阻抗150Ω，测试频率150kHz；
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—被测的罐形磁芯及线圈；
C —聚苯乙烯薄电容CMO-100V-7074PF±0.5%二只；

高μ超高μ材料，在弱场下其磁导率随场强增加呈上升趋势，当超过最大磁导率后又急剧下降。如图七，这就给测试仪表提出了很严格的要求，因为IEC标准367-1及国标GB-9632中都有明确规定，测试μi时其测试场强必须足够小，即当测试磁场加倍时，μi值没有明显变化，这个较小的测磁场方能认可。否则磁场太大，测出的μi就不是真正的起始磁导率，往往出入很大。如用铨华100系列表、LRC401或LRC2810系列表，测试闭路磁芯电感量以换算μi值时，由于其测试电压太高，其结果往往高出50%~100%。用户选用磁芯时，必须使用测试电压(或电流)可调的HP4284等仪表复核，才能真正做到心中有数。

6.实际工作状态下，通常都是交流磁场和直流磁场同时作用于磁芯，即磁芯被直流磁场偏磁化了。也就是所谓直流偏磁工作状态(DC-Bias)，其叠加磁导率(即增量磁导率μΔ)随控制场而改变，也就是通过直流电流使磁芯偏磁化可调节电感，达到遥控的目的，因而可用于频率调谐，天线匹配及电视图象校正的磁控可变电感器件等，但是直流偏置于磁芯后，会带来电感变化，温度系数，损耗系数及磁滞系数都随之发生变化，给稳定性工作造成极大影响，因此，在选用宽带变压器磁芯材料时，用户必须注意其直流叠加特性，即DC-Bias特性，如图八及图三μΔ曲线。各个厂家材料的水平差距较大，特别是没有设计、检测能力厂家生产的磁芯产品，性能更难以保证。


7.高磁导率材料其μi值对内部应力和外部压力的变化非常敏感，表面加工如打毛刺、磨平面等造成局部应力变化后，μi也随之变化；镜面加工后的配对磁芯，其电感量随测试时所加压力大小、金属卡簧弹力及环氧密封固化后的应力发生较大变化，这是使用过程中不容忽视的一个问题。通常，变压器磁芯要用金属零件来固定，这样铁氧体便受到一定的压力，如罐形和RM型配对磁芯的实用负载压力约为10kg/cm2。Mn-Zn高μ铁氧体材料受压后的磁导率变化示于图九。
由图可知，对Φ30×Φ20×5mm的环形磁芯依次加压后，磁导率减小，压力为7公斤时，变化约为6%，图中虚线表示停止加压后的磁导率，它不再回到原值，但经退磁后便能够回到原值。加负载5公斤，放置30分钟，然后去掉负载，再放置30分钟，这样反复进行时，磁导率的变化和其后随时间的变化示于图十。用作变压器磁芯的铁氧体要求受压后的变化和随时间的变化都小，经过上述反复加压过程，磁导率约减少6%。受压后，μi变化的增减与磁致伸缩常数λs的正负号一致；μi随时间的变化机理与减落(DF)相同。用户经常用加速人工老化的方法来消除部分应力的影响。
磁性材料生产属工艺性很强的应用技术领域，所以用户设计、选用该项产品时，也必须全面考查其性能，尽可能做到尽善尽美，物尽其用。图十一列出了东磁公司生产的高μ软磁铁氧体材料R10k、R15k、R20k磁谱及阻抗(Z)特性供用户参考。
参考文献：

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