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非晶在开关电源EMI中的应用

一、前言 
      开关电源(SPS)目前从微机、PPC、传真等OA设备到NC(数控)、程序控制器等FA设备,以及家电,都已得到了广泛的应用,需求量也在逐年增长。而且为谋求小型化、轻量化,工作频率呈不断提高的趋势,近来100250kHz的开关电源已占主要地位。随着这种高频化工作的进展,也出现了半导体转换时发生的峰值电压对二极管的破坏,以及对输出侧发生噪声电压的问题。


      这些问题在频率较低的开关电源里,通过采用跟二极管并联设置并具有适当容量的RC缓冲器可以得到一定程度的解决,但在高频开关电源里却受到损耗和发热方面的制约而不能充分发挥效益。对此,日本TOSHIBA公司根据采用插入方形饱和电抗线圈可有效控制二极管换流时发生的振荡反向外加电压的报告,于1983年开发了一种在可饱和磁芯上绕线的尖峰抑制器。饱和磁芯采用了具有高方形饱和特性的非金合金。这种尖峰抑制器很有效,用途也不断扩大。但后来根据设备小型化和低成本的要求,人们迫切希望能有一种性价比更高的产品问世。


      根据这一市场的需求,在设计高效率磁芯和解决非晶材料高性能化的基础上,作为可饱和磁芯开发了一种超小型非晶磁环。


       一般而言,噪声对中策用的静噪滤波器的功能是吸收已发生了的噪声,非晶磁环则是一种对噪声的发生加以磁路控制的电流元件。前者只是一种适应法,而后者才是一种根本措施。从功能意义上讲,可以说是一种磁缓冲器。


二、开关噪声 
       SPS的主要噪声是由于二极管断开时的反向恢复现象发生的。当随换流外加反向电压时,由于载流子被存储在二极管的PN结,因而在载流子消失的前一段时间里,电流也会反向流动,致使载流子消失时反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。另外,从理论上说,没有PN结的肖特基二极管(SBD)里不会存在载流子,因而也就不会有恢复现象的存在。但实际上,由于受结电容的影响,会不同程度地观测到类似波形,所以也会有噪声的发生。


      为了防止噪声,过去一般都采用RC吸收网络。这种RC吸收网络是使电阻和电容跟二极管并联用电容器吸收由二极管发生的开关噪声,但电阻上的损耗和发热问题还有待于改善。


三、磁缓冲器
       磁缓冲器与二极管呈串联状态插入电感器,使二极管的虚线所示状态,并通过控制恢复峰值及其变化率(di/dt)来控制开关噪声的产生。这种现象一般称作软恢复。同时这种缓冲器还对SBD等低耐压得元件起一种免遭浪涌电压破坏的保护作用。 


       开关瞬变现象时磁缓冲器的工作性能原理。在瞬变电流发生期间,由于带有大电抗而控制了浪涌的发生。并在稳定期使电抗几乎减小为零。也就是说,是一种只在瞬变期作为电抗进行工作并具有自控式磁开关的电抗器。


      实测磁化曲线说明一下其工作原理。当正向电流通向二极管时,磁芯饱和并处于BH曲线的1位置上。这时,电感处于最低状态。当二极管从ONOFF转换时,磁芯就会通过路线2发生磁通变化,但要加以控制,以使达到软恢复状态。当二极管完全达到OFF时,磁芯即处于3的状态。

 
       其次,当二极管从OFFON转换时,正向电流开始通向二极管,并加以电流控制,直至磁芯在4路线上被磁化、电感增加及磁芯达到饱和。

 
       为此,在1的状态时,为使电感接近为零,磁芯就要有良好的饱和特性。在2的状态时,磁化矩形比要高,以增大磁通变化量并进而增大电感。同时在材质上必须具备高导磁率和矩形饱和特性。从效率方面看还要有低损耗特性。目前能满足这种性能的最佳材料就是非晶合金磁性材料。


四、非晶磁环 
      非晶磁环是一种中空的超小型磁性,其贯穿于半导体引线上。此功能上是上述缓冲器的一种补充,在性能成本上也显示了其优越性。不仅可用于开关电源,还可用于VTR、计测仪及对各种对噪声要求很严的电子电路上

五、非晶磁环的选择
      非晶磁环的磁芯尺寸,要在计算拟控制的电压时间积和求出所需磁通量的基础上进行选择。也就是说,要根据外加在二极管上的峰值正向电压VFM(V)和反向恢复时间trr(μS)的积求出磁通量Ф(μWb),即Ф=VFM?trr(V?μS)


    虽说所选择的非晶磁环的尺寸所具有的磁通,应该与按该式计算出的所需磁通量相平衡,但原则上是选择磁通量大于电压时间积值的近似尺寸,并装入已定电路,在观测恢复波形的基础上达到尺寸选择的最佳化。
六、应用举例
    
把非晶磁环装到正激式电路上,对工作频率为150kHz,输出15V/10A的输出噪声进行比较,取得了提供的数据。


    可见,在RC缓冲器(16Ω10000pF)和铁氧体磁环并用的原方式里,输出噪声达67mVpp,且振幅范围大、噪声成分多,而在同一电路中采用非晶磁环,则振幅范围缩短,峰值也比原来的下降了一半以下。


      我们把SBD用于工作频率500kHz、输出520A的电路中。在没有加非晶磁环的情况下,产生了很大的尖峰电压,其值可达38.6V,对SBD的耐压显示出了极限值,且电压和电流都发生了瞬变现象。而采用非晶磁环后则防止了这种瞬变现象的发生,并使尖峰电压得到控制,降到17.4V,不到原值的1/2,从而保护了二极管,免遭电压破坏。


七、结束语
      从BH磁化特性的比较中可以看出,非晶磁环具有特别好的高矩形比磁化特性,单从这一点即可知道MagneticSnubber的性能是很好的。


    这种充分发挥高饱和磁性特性、以非晶合金制造的超小型可饱和磁芯、作为用于缓和二极管开关时发生的反向恢复现象的新功能性器件——非晶磁环,目前其用途,正以其可有低效降低噪声和浪涌电压的功能而迅速扩大。


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