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                      非晶在開關電源EMI中的應用

                      一、前言 
                            開關電源(SPS)目前從微機、PPC、傳真等OA設備到NC(數控)、程序控制器等FA設備,以及家電,都已得到了廣泛的應用,需求量也在逐年增長。而且為謀求小型化、輕量化,工作頻率呈不斷提高的趨勢,近來100250kHz的開關電源已占主要地位。隨著這種高頻化工作的進展,也出現了半導體轉換時發生的峰值電壓對二極管的破壞,以及對輸出側發生噪聲電壓的問題。


                            這些問題在頻率較低的開關電源里,通過采用跟二極管并聯設置并具有適當容量的RC緩沖器可以得到一定程度的解決,但在高頻開關電源里卻受到損耗和發熱方面的制約而不能充分發揮效益。對此,日本TOSHIBA公司根據采用插入方形飽和電抗線圈可有效控制二極管換流時發生的振蕩反向外加電壓的報告,于1983年開發了一種在可飽和磁芯上繞線的尖峰抑制器。飽和磁芯采用了具有高方形飽和特性的非金合金。這種尖峰抑制器很有效,用途也不斷擴大。但后來根據設備小型化和低成本的要求,人們迫切希望能有一種性價比更高的產品問世。


                            根據這一市場的需求,在設計高效率磁芯和解決非晶材料高性能化的基礎上,作為可飽和磁芯開發了一種超小型非晶磁環。


                             一般而言,噪聲對中策用的靜噪濾波器的功能是吸收已發生了的噪聲,非晶磁環則是一種對噪聲的發生加以磁路控制的電流元件。前者只是一種適應法,而后者才是一種根本措施。從功能意義上講,可以說是一種磁緩沖器。


                      二、開關噪聲 
                             SPS的主要噪聲是由于二極管斷開時的反向恢復現象發生的。當隨換流外加反向電壓時,由于載流子被存儲在二極管的PN結,因而在載流子消失的前一段時間里,電流也會反向流動,致使載流子消失時反向恢復電流急劇減少而發生很大的電流變化(di/dt)。另外,從理論上說,沒有PN結的肖特基二極管(SBD)里不會存在載流子,因而也就不會有恢復現象的存在。但實際上,由于受結電容的影響,會不同程度地觀測到類似波形,所以也會有噪聲的發生。


                            為了防止噪聲,過去一般都采用RC吸收網絡。這種RC吸收網絡是使電阻和電容跟二極管并聯用電容器吸收由二極管發生的開關噪聲,但電阻上的損耗和發熱問題還有待于改善。


                      三、磁緩沖器
                             磁緩沖器與二極管呈串聯狀態插入電感器,使二極管的虛線所示狀態,并通過控制恢復峰值及其變化率(di/dt)來控制開關噪聲的產生。這種現象一般稱作軟恢復。同時這種緩沖器還對SBD等低耐壓得元件起一種免遭浪涌電壓破壞的保護作用。 


                             開關瞬變現象時磁緩沖器的工作性能原理。在瞬變電流發生期間,由于帶有大電抗而控制了浪涌的發生。并在穩定期使電抗幾乎減小為零。也就是說,是一種只在瞬變期作為電抗進行工作并具有自控式磁開關的電抗器。


                            實測磁化曲線說明一下其工作原理。當正向電流通向二極管時,磁芯飽和并處于BH曲線的1位置上。這時,電感處于最低狀態。當二極管從ONOFF轉換時,磁芯就會通過路線2發生磁通變化,但要加以控制,以使達到軟恢復狀態。當二極管完全達到OFF時,磁芯即處于3的狀態。

                       
                             其次,當二極管從OFFON轉換時,正向電流開始通向二極管,并加以電流控制,直至磁芯在4路線上被磁化、電感增加及磁芯達到飽和。

                       
                             為此,在1的狀態時,為使電感接近為零,磁芯就要有良好的飽和特性。在2的狀態時,磁化矩形比要高,以增大磁通變化量并進而增大電感。同時在材質上必須具備高導磁率和矩形飽和特性。從效率方面看還要有低損耗特性。目前能滿足這種性能的最佳材料就是非晶合金磁性材料。


                      四、非晶磁環 
                            非晶磁環是一種中空的超小型磁性,其貫穿于半導體引線上。此功能上是上述緩沖器的一種補充,在性能成本上也顯示了其優越性。不僅可用于開關電源,還可用于VTR、計測儀及對各種對噪聲要求很嚴的電子電路上。

                      五、非晶磁環的選擇
                            非晶磁環的磁芯尺寸,要在計算擬控制的電壓時間積和求出所需磁通量的基礎上進行選擇。也就是說,要根據外加在二極管上的峰值正向電壓VFM(V)和反向恢復時間trr(μS)的積求出磁通量Ф(μWb),即Ф=VFM?trr(V?μS)。


                          雖說所選擇的非晶磁環的尺寸所具有的磁通,應該與按該式計算出的所需磁通量相平衡,但原則上是選擇磁通量大于電壓時間積值的近似尺寸,并裝入已定電路,在觀測恢復波形的基礎上達到尺寸選擇的最佳化。
                      六、應用舉例
                          
                      把非晶磁環裝到正激式電路上,對工作頻率為150kHz,輸出15V/10A的輸出噪聲進行比較,取得了提供的數據。


                          可見,在RC緩沖器(16Ω10000pF)和鐵氧體磁環并用的原方式里,輸出噪聲達67mVpp,且振幅范圍大、噪聲成分多,而在同一電路中采用非晶磁環,則振幅范圍縮短,峰值也比原來的下降了一半以下。


                            我們把SBD用于工作頻率500kHz、輸出520A的電路中。在沒有加非晶磁環的情況下,產生了很大的尖峰電壓,其值可達38.6V,對SBD的耐壓顯示出了極限值,且電壓和電流都發生了瞬變現象。而采用非晶磁環后則防止了這種瞬變現象的發生,并使尖峰電壓得到控制,降到17.4V,不到原值的1/2,從而保護了二極管,免遭電壓破壞。


                      七、結束語
                            從BH磁化特性的比較中可以看出,非晶磁環具有特別好的高矩形比磁化特性,單從這一點即可知道MagneticSnubber的性能是很好的。


                          這種充分發揮高飽和磁性特性、以非晶合金制造的超小型可飽和磁芯、作為用于緩和二極管開關時發生的反向恢復現象的新功能性器件——非晶磁環,目前其用途,正以其可有低效降低噪聲和浪涌電壓的功能而迅速擴大。


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