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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(shù)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(xiàn)了半導體轉(zhuǎn)換時發(fā)生的峰值電壓對二極管的破壞,以及對輸出側(cè)發(fā)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(lián)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(fā)熱方面的制約而不能充分發(fā)揮效益。對此,日本TOSHIBA公司根據(jù)采用插入方形飽和電抗線圈可有效控制二極管換流時發(fā)生的振蕩反向外加電壓的報告,于1983年開發(fā)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(jù)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(chǎn)品問世。


      根據(jù)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(fā)了一種超小型非晶磁環(huán)。


       一般而言,噪聲對中策用的靜噪濾波器的功能是吸收已發(fā)生了的噪聲,非晶磁環(huán)則是一種對噪聲的發(fā)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(xiàn)象發(fā)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(jié),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(fā)生很大的電流變化(di/dt)。另外,從理論上說,沒有PN結(jié)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(xiàn)象的存在。但實際上,由于受結(jié)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(fā)生。


      為了防止噪聲,過去一般都采用RC吸收網(wǎng)絡。這種RC吸收網(wǎng)絡是使電阻和電容跟二極管并聯(lián)用電容器吸收由二極管發(fā)生的開關噪聲,但電阻上的損耗和發(fā)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(lián)狀態(tài)插入電感器,使二極管的虛線所示狀態(tài),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(chǎn)生。這種現(xiàn)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(xiàn)象時磁緩沖器的工作性能原理。在瞬變電流發(fā)生期間,由于帶有大電抗而控制了浪涌的發(fā)生。并在穩(wěn)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(tài)。當二極管從ONOFF轉(zhuǎn)換時,磁芯就會通過路線2發(fā)生磁通變化,但要加以控制,以使達到軟恢復狀態(tài)。當二極管完全達到OFF時,磁芯即處于3的狀態(tài)。

 
       其次,當二極管從OFFON轉(zhuǎn)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(tài)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(tài)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(zhì)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(huán) 
      非晶磁環(huán)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(yōu)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(huán)的選擇
      非晶磁環(huán)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(jù)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(huán)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(huán)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(shù)據(jù)。


    可見,在RC緩沖器(16Ω10000pF)和鐵氧體磁環(huán)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(huán),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(huán)的情況下,產(chǎn)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(fā)生了瞬變現(xiàn)象。而采用非晶磁環(huán)后則防止了這種瞬變現(xiàn)象的發(fā)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(jié)束語
      從BH磁化特性的比較中可以看出,非晶磁環(huán)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(fā)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(fā)生的反向恢復現(xiàn)象的新功能性器件——非晶磁環(huán),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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