低偏置电感器

1 前言
为了保证信号的高保真度和宽带传输，电话网络中通信变压器工作磁通密度都低。其中，不对称数字用户线路（ADSL）用脉冲变压器工作磁通密度工作大约为60mT，因为数据传送速度对总谐波失真（THD）电平十分敏感。和对要求小、薄、价廉变压器相反，对这种变压器要求用较大的铁氧体磁芯，才能使工作磁通密度低。因此，为了减小ADSL用脉冲变压器体积，本文通过修正磁芯形状，检验了即使工作磁通高也能获得低THD的可能性。下面介绍改变磁芯形状中遇到的问题及其解决方案。
2 现状

选用EP型2H06铁氧体磁芯的ADSL用变压器，测量B-H回线。然后，用磁芯模型测得的剩余磁通密度（Br）、矫顽力（Hc）和饱和磁通密度（Bs），按集成电路校正仿真程序（SPICE）编制程序。磁芯的实际测量数据与磁芯模型的计算值比较列于表1。把磁芯模型对图1中变压器电路进行模拟，并确认B-H回线非线性的影响。电路中，当的电感量在对外加磁场的响应中发生变化时，改变分压比，产生谐波失真。于是用磁芯截面积较小、磁路较短和气隙较窄来代替，就得到小型化磁芯模型。

表2是对2H06铁氧体磁芯模型和小型化磁芯模型仿真参数的比较。把图1电路用于THD分析，并把正弦波输入下的谐波失真输出电路模拟结果绘于图2。把模拟结果代入下式，得THD值。

当小型化模拟磁芯的磁通密度接近B-H回线饱和时，求得THD值为-31.1dB。由于ADSL脉冲变压器对THD值的实际要求是-90dB左右，显然，小型化磁芯模型不具备足够低的THD值。然后在8MHz规格ADSL线路中，每次装入THD值不同的变压器，测500m以上传输距离各自的传送速度。THD值与传送速度的关系绘在图3中。

3 波形失真因素及其改善
3.1 磁芯形状
EI和环型是变压器磁芯最通用的两种形状。EI磁芯一般可自动绕线，比较经济。环型磁芯必须用手绕线，成本较高。EI磁芯能将磁通高度集中在比较小的磁偏置面积内和磁路内侧面积内。用局部磁饱和，可以比较容易增加EI磁芯的有效磁路长度，同时增大磁动势。环型磁芯和EI磁芯相似：磁饱和在磁芯内部面积产生，但环型磁芯磁通集中强度比EI磁芯小。结果，使环型磁芯较好的电感量对磁动势的恒定性更好。图4是通过磁场分析计算，得到的环型磁芯（FR25）和EI磁芯（EI25）中磁通密度分布的比较。图5是这两种磁芯的B-H回线比较。在两种情况下，EI和环型磁芯有一些地方相同，磁芯材料都采用理想B-H回线，磁芯体积也一样。从而使磁芯形状对磁性能指标的影响更为明显。可以发现在磁通密度为150mT及其以下时，环型磁芯磁通对磁动势的线性度优于EI磁芯。

3.2 磁芯的厚度
磁通线性度会因磁芯内边与外边之间磁路长度不同而变化，改变EI和环型两种磁芯的厚度I，可观测到磁芯厚度I对B-H回线的影响（见图6和7）。设定磁芯尺寸和绕组的匝数，使EI和环型两种磁芯体积和电感量相等。表3和表4分别列出了EI和环型磁芯最终的技术数据。图6中的字母A-H和表3中的字母对应，图7中的字符D1、D2和H与表4中的一致。可以看出，磁芯体积保持一定时，EI和环型两种磁芯磁通的线性度会随着磁芯厚度I减薄和磁芯深度H增加而改善。
4 结果


用SPICE软件模拟环型和EI磁芯的B-H回线，并放在图1电路中进行分析。图8和9分别为环型和EI型磁芯的B-H回线；将分析结果用于计算磁芯THD值。如表5那样，磁通密度在180~300mT内，环型磁芯THD值比EI型磁芯少3dB左右；薄磁芯THD值比厚磁芯少3-10dB，而与磁芯类型无关。另一方面，在90mT低磁通密度下，磁芯形状和厚度对THD影响比较小。
5 结论
本文检验了磁芯形状对THD的影响。发现环型磁芯THD值比有内侧边缘的EI形磁芯小。还发现，薄型磁芯THD值比厚型磁芯小，大概是因为较薄的磁芯磁芯内、外侧间的磁路长之差减小的缘故。鉴于改变磁芯形状和厚度，可使180mT磁通密度下的THD值减少至-67dB，显然，在ADSL脉冲变压器用磁芯的设计中，应当考虑这两个重要参素。

参考文献
F.Nakao，et al.，IEEE Trans.Magn.，2002年38卷第5期:3171～3173页