通信用开关电源及其功率软磁材料的技术新动向
2006-03-22 08:57:31
来源：《国际电子变压器》2006年4月刊
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1前言
在电脑、电子仪器和通信系统中应用极为广泛的开关电源，在近半个世纪的发展过程中，因具有轻、小、高效等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，成为电子电源中的主流产品。人们在开关电源技术领域里，边开发相关电子技术、边开发新型功率材料和元器件，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数的增长率向轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰方向发展。
2通信用开关电源迅速发展的成因
2.1工作原理的牵引
开关电源的工作原理是基于半导体开关管接通或断开， 在理论上有最低损耗点。新开发的谐振转换器在原理上又可以把开关元件的电压、电流波形作零交叉，使开关功率损耗减小到零。这就使开关电源具有发热量低、效率高等特点，因而适应了全球节能化的需要。
2.2小型化的追求
小型化是电子整机必然的发展趋势，传统的串联调节式电源被开关调节式电源取代，这更容易实现电子整机的小型化。
2.3高频化的趋势
开关频率的提高意味着变压器体积的减小，因此，电子整机高频化将推动电源向小型化发展。
2.4小型元件奠定基础
变压器、半导体晶体管、滤波电容器和电感线圈是开关电源的关键元件，这些元件的不断小型化和高智能化，为电源小型化发展创造了条件。
3通信用开关电源的市场发展
通信用开关电源分AC/DC和DC/DC两大类。 目前全球开关电源制造厂商约500家。2000年世界开关电源的销售额为180亿美元， 近几年间的年均增长率在10％以上，高于世界电子产品的整体发展水平(8.8％)，其中DC/DC产品的市场份额上升到了24％。刺激通信用开关电源市场进一步扩大并将继续推动开关电源技术进步的主要用户是计算机及其外围设备；另外，快速发展的通信及消费品市场也正逐渐成为开关电源装置制造厂家的重心。主要技术革新的进步如功率系数的校正、相位调制、高频电源转换、零电压及零电流转换、单片式转换器为该工业注入了新的活力。随着这些技术实用化的进步，开关电源的设计会得到大大改良。
日本是开关电源产量最大和自动化生产技术水平最高的国家，采用表面安装元器件(SMC／SMD)和厚膜技术将大多数电子电路元件组成混合集成电路，生产加工实现了自动化，从而提高了可靠度、降低了成本、产品真正做到了轻、小、薄 (如利用集成电路技术将开关电源中2W以下的电路元件与集成电路做成了SmartPower IC)。
表面安装技术(SMT)和高密度安装的广泛使用，已经导致更小型电源的出现。自从MOS场效应晶体管的价格降低和尺寸缩小之后，日、美、欧采用MOS场效应晶体管的小型化通信开关电源陆续被开发出来，这些新产品的工作频率和开关速度较高，比原有产品更安全、可靠，且价格低廉。日本作为世界电子仪器设备的制造中心，对开关电源的需求最大，约占世界市场的48％，其次是美国和欧洲，分别占29％和11％，我国近年计算机、通讯业发展神速，所用AC/DC、DC/DC产品有很大的潜在市场。
我国开关电源厂商共100余家， 大多为港台的合资企业，其年产能力在1000万只以上， 国内市场需求约350万只，其余均出口国外。我国开关电源现在的主流产品仍为线性型和ATX型电源， 主要用于计算机领域；而用于移动电话等领域的微小型及嵌入式智能开关电源尚处于小批量生产阶段。
4通信用开关电源产品的技术发展新动向
通信用开关电源产品的技术发展新动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化。
4.1小型、薄型、轻量化
由于通信电源轻、小、薄的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器、电容器小型化，并同时采用SMT技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。
4.2高效率
为了使通信用开关电源轻、小、薄，高频化(开关频率达兆赫级)是必然发展趋势。而高频化又必然使传统的PWM开关(属硬开关) 功耗加大，效率降低，噪声也提高了，达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。采用软开关技术可使效率达到85～88％。据悉，美国VICOR开关电源公司设计制造了多种ECZ软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有800W、600W、300W等，相应的功率密度为6.2、10、17W/cm3，效率为80～90％；日本Nemic-Lambda公司日前推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列 (日本人称这种技术为 “部分谐振” ) ， 开关频率为200～300kHz，功率密度为27W/cm3，用同步整流器(即用MOS-FER代替肖特基二极管)使整个电路效率提高到90％。
4.3高可靠
通信用开关电源使用的元器件比连续工作电源多数十倍， 因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容器、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着眼，而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低结温、 减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DC/DC开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的MTBF 高达100万小时以上。
4.4模块化
无论是AC/DC或是DC/DC变换器都是朝模块化方向发展。其特点是：可以用模块电源组成分布式电源系统； 可以设计成N+1冗余电源系统，从而提高可靠性；可以做成插入式，实现热更换，从而在运行中出现故障时能高速更换模块插件；多台模块并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩充容量。
4.5低噪声
通信用开关电源的又一缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。日本把变压器设计成初次级分离阻燃密封，自身具备对付噪声功能的共模无噪声隔离变压器，既节省了噪声滤波器，又减少了噪声。
4.6抗电磁干扰 (EMI)
当开关电源在高频下工作时，其噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，世界各国已有抗EMI的规范或标准，如美国的FCC、德国的VDE等，研究开发抗EMI的开关电源日益显得重要。
4.7产品更新加快
目前通信用开关电源产品要求输出电压范围扩大(如计算机和工作站需要增加3.3V这一档电压、程控需要增加DC150V这一电压)、输入端功率因素进一步提高(最有效的方法是加一级“有源功率因数校正器APFC”)，并具有安全、过压保护等功能。诸如此类的要求，促使通信用开关电源产品更新不断加快。
5通信开关电源用功率软磁材料的发展
为适应通信用开关电源轻、小、薄的要求，需要增大其开关频率。而制作通信开关电源变压器磁心的Mn-Zn软磁铁氧体材料就必须在较高频率和较大磁通密度（BS）下具有良好的磁性能。这类材料被称为功率铁氧体或低功耗材料（LPL）。高性能LPL材料应有高BS、高θf（居里温度）、低PO（功耗）等特点。
70年代初， 日本、欧洲厂商为适应通信开关电源市场的需要，开发出第一代LPL材料，典型牌号为TDK的H35、FDK的H45，这类材料由于功耗PO较大，且使用时温升显著， 故一般只用于16～25kHz的民用开关电源。 80年代初，经改进实用频率为25～100kHz的第二代LPL材料被开发出来，其最大特点是呈现负温度系数功耗 (20～80℃，随温度升高，功耗呈下降趋势) ，能有效防止温升造成的电磁性能下降，且综合指标较好；代表性的产品有TDK的H7C1(PC30) 、FDK的6H10、西门子的N27和飞利浦的3C80，可基本代表目前国内大多数软磁企业的批量生产水平。80年代中后期，国外又竞相开发出高频功耗大幅降低， 实用频率一般可达100～500kHz的第三代材料，如TDK的H7C4(PC40) 、FDK的6H20和6H40、西门子的N72、飞利浦的3C85和3F3，典型性能指标为：BS=490～510mT，TC＞200℃，PO=400～500mW/cm3(100kHz，200mT，100℃)，这类材料特别适用于频率为数百kHz的通信用高频开关电源。国内仅有少数厂家能稳定批量生产第三代功率铁氧体材料。
进入90年代后， 第四代功率铁氧体材料又开发成功， 代表牌号有TDK的H7F（PC50）、FDK的7H10和7H20、西门子的N49和N59、飞利浦的3F4、日立铁氧体的SM—1M、东京铁氧体（TOKIN）的B40等，其功耗大大低于第三代材料，使用频率一般达500～1000kHz，为开关电源的进一步轻、 小、薄奠定了基础。2004年，日本TDK公司在沉寂了几年之后推出了具有划时代意义的新一代功率铁氧体材料PC95，它具有高磁导率（μi=3300±25%）、高BS、比PC4X系列材料更低的常温和高温功耗（P25℃≤350kW/m3， P80℃≤280kW/m3，P100℃≤350kW/m3，测试条件：100kHz，200mT）等特点，创造了世界软磁界的又一奇迹。
从功率铁氧体的发展趋势看，由于更高频率的通信开关电源（1000kHz以上）受其它电子元件的发展限制，市场拥有量不是很大，因此除TDK公司刚刚开发成功的PC95材料外，目前国内外软磁制造商主要还在现有材料（PC40，PC50，PC4X）系列范围内开展研究工作，如进一步降低材料的磁心损耗，确保磁心温升的下降，以提高整机的传输功率。为获得良好的损耗特性，对铁氧体粉体制备、铁氧体烧结状况的控制是非常重要的。从粉体制备看，均采用高纯原材料，使用复合添加剂，其目的是增大材料晶界电阻率，以降低磁心损耗。控制铁氧体烧结条件(温度曲线、气氛曲线、压力曲线)以形成均匀、致密的晶粒结构，使得材料的涡流损耗Pe、磁滞损耗Ph得以相对平衡，确保磁心总损耗PO的下降，从而保证了磁心在低频段或高频段具有良好的损耗特性。这些新材料在制造过程中值得注意的是烧结时氧含量的变化会对初始磁导率、品质因数和电阻率产生较大影响；升温时氧含量的变化、升温速度的变化对晶粒直径分布、气孔状态、晶界内微量元素的偏析状态等都会带来较大的影响。为了得到晶粒直径均匀的烧结体， 在开始生成尖晶石的900～1100℃温度范围内，升温速度要慢、氧含量要低。若冷却速度快，则容易产生剩余应力，微量成分向晶界偏析变小。因此，必须缓慢冷却，按平衡气氛原理控制氧含量的变化。在较高温度（>1300℃）下烧结时，烧结体表面会有ZnO挥发，从而产生剩余应力，引起磁心损耗增加，因此为了降低ZnO挥发，也可用铁氧体粉、ZnO等作为调节物来进行烧结。综上所述，通过配方设计，改善材料居里温度，调整μi～T曲线的变化；通过微量添加剂、控制烧结条件和粉末制备技术等，改善磁心损耗；通过晶界结构控制、晶粒尺寸控制，降低剩余应力以达到现代软磁功率铁氧体材料所应具备的更完善的材料特性参数；高饱和磁通密度、高居里温度、高表观密度、超低磁心损耗以及优良的产品外观和精确的尺寸，来满足竞争日益激烈的市场需要。这在今后几年内将是功率铁氧体材料的发展趋势。
参考文献(略)
在电脑、电子仪器和通信系统中应用极为广泛的开关电源，在近半个世纪的发展过程中，因具有轻、小、高效等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，成为电子电源中的主流产品。人们在开关电源技术领域里，边开发相关电子技术、边开发新型功率材料和元器件，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数的增长率向轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰方向发展。
2通信用开关电源迅速发展的成因
2.1工作原理的牵引
开关电源的工作原理是基于半导体开关管接通或断开， 在理论上有最低损耗点。新开发的谐振转换器在原理上又可以把开关元件的电压、电流波形作零交叉，使开关功率损耗减小到零。这就使开关电源具有发热量低、效率高等特点，因而适应了全球节能化的需要。
2.2小型化的追求
小型化是电子整机必然的发展趋势，传统的串联调节式电源被开关调节式电源取代，这更容易实现电子整机的小型化。
2.3高频化的趋势
开关频率的提高意味着变压器体积的减小，因此，电子整机高频化将推动电源向小型化发展。
2.4小型元件奠定基础
变压器、半导体晶体管、滤波电容器和电感线圈是开关电源的关键元件，这些元件的不断小型化和高智能化，为电源小型化发展创造了条件。
3通信用开关电源的市场发展
通信用开关电源分AC/DC和DC/DC两大类。 目前全球开关电源制造厂商约500家。2000年世界开关电源的销售额为180亿美元， 近几年间的年均增长率在10％以上，高于世界电子产品的整体发展水平(8.8％)，其中DC/DC产品的市场份额上升到了24％。刺激通信用开关电源市场进一步扩大并将继续推动开关电源技术进步的主要用户是计算机及其外围设备；另外，快速发展的通信及消费品市场也正逐渐成为开关电源装置制造厂家的重心。主要技术革新的进步如功率系数的校正、相位调制、高频电源转换、零电压及零电流转换、单片式转换器为该工业注入了新的活力。随着这些技术实用化的进步，开关电源的设计会得到大大改良。
日本是开关电源产量最大和自动化生产技术水平最高的国家，采用表面安装元器件(SMC／SMD)和厚膜技术将大多数电子电路元件组成混合集成电路，生产加工实现了自动化，从而提高了可靠度、降低了成本、产品真正做到了轻、小、薄 (如利用集成电路技术将开关电源中2W以下的电路元件与集成电路做成了SmartPower IC)。
表面安装技术(SMT)和高密度安装的广泛使用，已经导致更小型电源的出现。自从MOS场效应晶体管的价格降低和尺寸缩小之后，日、美、欧采用MOS场效应晶体管的小型化通信开关电源陆续被开发出来，这些新产品的工作频率和开关速度较高，比原有产品更安全、可靠，且价格低廉。日本作为世界电子仪器设备的制造中心，对开关电源的需求最大，约占世界市场的48％，其次是美国和欧洲，分别占29％和11％，我国近年计算机、通讯业发展神速，所用AC/DC、DC/DC产品有很大的潜在市场。
我国开关电源厂商共100余家， 大多为港台的合资企业，其年产能力在1000万只以上， 国内市场需求约350万只，其余均出口国外。我国开关电源现在的主流产品仍为线性型和ATX型电源， 主要用于计算机领域；而用于移动电话等领域的微小型及嵌入式智能开关电源尚处于小批量生产阶段。
4通信用开关电源产品的技术发展新动向
通信用开关电源产品的技术发展新动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化。
4.1小型、薄型、轻量化
由于通信电源轻、小、薄的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器、电容器小型化，并同时采用SMT技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。
4.2高效率
为了使通信用开关电源轻、小、薄，高频化(开关频率达兆赫级)是必然发展趋势。而高频化又必然使传统的PWM开关(属硬开关) 功耗加大，效率降低，噪声也提高了，达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。采用软开关技术可使效率达到85～88％。据悉，美国VICOR开关电源公司设计制造了多种ECZ软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有800W、600W、300W等，相应的功率密度为6.2、10、17W/cm3，效率为80～90％；日本Nemic-Lambda公司日前推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列 (日本人称这种技术为 “部分谐振” ) ， 开关频率为200～300kHz，功率密度为27W/cm3，用同步整流器(即用MOS-FER代替肖特基二极管)使整个电路效率提高到90％。
4.3高可靠
通信用开关电源使用的元器件比连续工作电源多数十倍， 因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容器、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着眼，而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低结温、 减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DC/DC开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的MTBF 高达100万小时以上。
4.4模块化
无论是AC/DC或是DC/DC变换器都是朝模块化方向发展。其特点是：可以用模块电源组成分布式电源系统； 可以设计成N+1冗余电源系统，从而提高可靠性；可以做成插入式，实现热更换，从而在运行中出现故障时能高速更换模块插件；多台模块并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩充容量。
4.5低噪声
通信用开关电源的又一缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。日本把变压器设计成初次级分离阻燃密封，自身具备对付噪声功能的共模无噪声隔离变压器，既节省了噪声滤波器，又减少了噪声。
4.6抗电磁干扰 (EMI)
当开关电源在高频下工作时，其噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，世界各国已有抗EMI的规范或标准，如美国的FCC、德国的VDE等，研究开发抗EMI的开关电源日益显得重要。
4.7产品更新加快
目前通信用开关电源产品要求输出电压范围扩大(如计算机和工作站需要增加3.3V这一档电压、程控需要增加DC150V这一电压)、输入端功率因素进一步提高(最有效的方法是加一级“有源功率因数校正器APFC”)，并具有安全、过压保护等功能。诸如此类的要求，促使通信用开关电源产品更新不断加快。
5通信开关电源用功率软磁材料的发展
为适应通信用开关电源轻、小、薄的要求，需要增大其开关频率。而制作通信开关电源变压器磁心的Mn-Zn软磁铁氧体材料就必须在较高频率和较大磁通密度（BS）下具有良好的磁性能。这类材料被称为功率铁氧体或低功耗材料（LPL）。高性能LPL材料应有高BS、高θf（居里温度）、低PO（功耗）等特点。
70年代初， 日本、欧洲厂商为适应通信开关电源市场的需要，开发出第一代LPL材料，典型牌号为TDK的H35、FDK的H45，这类材料由于功耗PO较大，且使用时温升显著， 故一般只用于16～25kHz的民用开关电源。 80年代初，经改进实用频率为25～100kHz的第二代LPL材料被开发出来，其最大特点是呈现负温度系数功耗 (20～80℃，随温度升高，功耗呈下降趋势) ，能有效防止温升造成的电磁性能下降，且综合指标较好；代表性的产品有TDK的H7C1(PC30) 、FDK的6H10、西门子的N27和飞利浦的3C80，可基本代表目前国内大多数软磁企业的批量生产水平。80年代中后期，国外又竞相开发出高频功耗大幅降低， 实用频率一般可达100～500kHz的第三代材料，如TDK的H7C4(PC40) 、FDK的6H20和6H40、西门子的N72、飞利浦的3C85和3F3，典型性能指标为：BS=490～510mT，TC＞200℃，PO=400～500mW/cm3(100kHz，200mT，100℃)，这类材料特别适用于频率为数百kHz的通信用高频开关电源。国内仅有少数厂家能稳定批量生产第三代功率铁氧体材料。
进入90年代后， 第四代功率铁氧体材料又开发成功， 代表牌号有TDK的H7F（PC50）、FDK的7H10和7H20、西门子的N49和N59、飞利浦的3F4、日立铁氧体的SM—1M、东京铁氧体（TOKIN）的B40等，其功耗大大低于第三代材料，使用频率一般达500～1000kHz，为开关电源的进一步轻、 小、薄奠定了基础。2004年，日本TDK公司在沉寂了几年之后推出了具有划时代意义的新一代功率铁氧体材料PC95，它具有高磁导率（μi=3300±25%）、高BS、比PC4X系列材料更低的常温和高温功耗（P25℃≤350kW/m3， P80℃≤280kW/m3，P100℃≤350kW/m3，测试条件：100kHz，200mT）等特点，创造了世界软磁界的又一奇迹。
从功率铁氧体的发展趋势看，由于更高频率的通信开关电源（1000kHz以上）受其它电子元件的发展限制，市场拥有量不是很大，因此除TDK公司刚刚开发成功的PC95材料外，目前国内外软磁制造商主要还在现有材料（PC40，PC50，PC4X）系列范围内开展研究工作，如进一步降低材料的磁心损耗，确保磁心温升的下降，以提高整机的传输功率。为获得良好的损耗特性，对铁氧体粉体制备、铁氧体烧结状况的控制是非常重要的。从粉体制备看，均采用高纯原材料，使用复合添加剂，其目的是增大材料晶界电阻率，以降低磁心损耗。控制铁氧体烧结条件(温度曲线、气氛曲线、压力曲线)以形成均匀、致密的晶粒结构，使得材料的涡流损耗Pe、磁滞损耗Ph得以相对平衡，确保磁心总损耗PO的下降，从而保证了磁心在低频段或高频段具有良好的损耗特性。这些新材料在制造过程中值得注意的是烧结时氧含量的变化会对初始磁导率、品质因数和电阻率产生较大影响；升温时氧含量的变化、升温速度的变化对晶粒直径分布、气孔状态、晶界内微量元素的偏析状态等都会带来较大的影响。为了得到晶粒直径均匀的烧结体， 在开始生成尖晶石的900～1100℃温度范围内，升温速度要慢、氧含量要低。若冷却速度快，则容易产生剩余应力，微量成分向晶界偏析变小。因此，必须缓慢冷却，按平衡气氛原理控制氧含量的变化。在较高温度（>1300℃）下烧结时，烧结体表面会有ZnO挥发，从而产生剩余应力，引起磁心损耗增加，因此为了降低ZnO挥发，也可用铁氧体粉、ZnO等作为调节物来进行烧结。综上所述，通过配方设计，改善材料居里温度，调整μi～T曲线的变化；通过微量添加剂、控制烧结条件和粉末制备技术等，改善磁心损耗；通过晶界结构控制、晶粒尺寸控制，降低剩余应力以达到现代软磁功率铁氧体材料所应具备的更完善的材料特性参数；高饱和磁通密度、高居里温度、高表观密度、超低磁心损耗以及优良的产品外观和精确的尺寸，来满足竞争日益激烈的市场需要。这在今后几年内将是功率铁氧体材料的发展趋势。
参考文献(略)
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