磁芯電感器的諧波失真分析 摘 要：簡述了改進(jìn)鐵氧體軟磁材料比損耗系數(shù)和磁滯常數(shù)ηB，從而降低總諧波失真THD的歷史過程，分析了諸多因數(shù)對諧波測量的影響，提出了磁心性能的調(diào)控方向。 關(guān)鍵詞：比損耗系數(shù)， 磁滯常數(shù)ηB ，直流偏置特性DC-Bias，總諧波失真THD Analysis on THD of the fer rite co res u se d i n i nductancShi Yan Nanjing Finemag Technology Co. Ltd., Nanjing 210033 Abstract: Histrory of decreasing THD by improving the ratio loss coefficient and hysteresis constant of soft magnetic ferrite is briefly narrated. The effect of many factors which affect the harmonic wave testing is analysed. The way of improving the performance of ferrite cores is put forward. Key words: ratio loss coefficient，hysteresis constant，DC-Bias，THD 近年來，變壓器生產(chǎn)廠家和軟磁鐵氧體生產(chǎn)廠家，在電感器和變壓器產(chǎn)品的總諧波失真指標(biāo)控制上，進(jìn)行了深入的探討和廣泛的合作，逐步弄清了一些似是而非的問題。從工藝技術(shù)上采取了不少有效措施，促進(jìn)了質(zhì)量問題的迅速解決。本文將就此熱門話題作一些粗淺探討。 一、 歷史回顧 總諧波失真（Total harmonic distortion） ，簡稱THD，并不是什么新的概念，早在幾十年前的載波通信技術(shù)中就已有嚴(yán)格要求<1>。1978年郵電部公布的標(biāo)準(zhǔn)YD/Z17－78“載波用鐵氧體罐形磁心”中，規(guī)定了高μQ材料制作的無中心柱配對罐形磁心詳細(xì)的測試電路和方法。如圖一電路所示，利用LC組成的150KHz低通濾波器在高電平輸入的情況下測量磁心產(chǎn)生的非線性失真。這種相對比較的實(shí)用方法，專用于無中心柱配對罐形磁心的諧波衰耗測試。 這種磁心主要用于載波電報、電話設(shè)備的遙測振蕩器和線路放大器系統(tǒng)，其非線性失真有很嚴(yán)格的要求。
圖中 ZD —— QF867 型阻容式載頻振蕩器，輸出阻抗 150Ω， Ld47 —— 47KHz 低通濾波器，阻抗 150Ω，阻帶衰耗大于61dB， Lg88 ——并聯(lián)高低通濾波器，阻抗 150Ω，三次諧波衰耗大于61dB Ld88 ——并聯(lián)高低通濾波器，阻抗 150Ω，三次諧波衰耗大于61dB FD —— 30～50KHz 放大器， 阻抗 150Ω， 增益不小于 43 dB，三次諧波衰耗b3(0)≥91 dB, DP —— Qp373 選頻電平表，輸入高阻抗， L ——被測無心罐形磁心及線圈， C ——聚苯乙烯薄膜電容器CMO-100V-707APF±0.5%,二只。
測量時，所配用線圈應(yīng)用絲包銅電磁線SQJ9×0.12(JB661-75)在直徑為16.1mm的線架上繞制 120 匝， （線架為一格） ， 其空心電感值為 318μH（誤差1％） 被測磁心配對安裝好后，先調(diào)節(jié)振蕩器頻率為 36.6～40KHz， 使輸出電平值為+17.4 dB， 即選頻表在 22′端子測得的主波電平 （P2）為+17.4 dB，然后在33′端子處測得輸出的三次諧波電平（P3）， 則三次諧波衰耗值為：b3(+2)= P2+S+ P3 式中：S 為放大器增益dB 從以往的資料引證， 就可以發(fā)現(xiàn)諧波失真的測量是一項很精細(xì)的工作，其中測量系統(tǒng)的高、低通濾波器，信號源和放大器本身的三次諧波衰耗控制很嚴(yán)，阻抗必須匹配，薄膜電容器的非線性也有相應(yīng)要求。濾波器的電感全由不帶任何磁介質(zhì)的大空心線圈繞成，以保證本身的“潔凈” ，不至于造成對磁心分選的誤判。 為了滿足多路通信整機(jī)的小型化和穩(wěn)定性要求， 必須生產(chǎn)低損耗高穩(wěn)定磁心。上世紀(jì) 70 年代初，1409 所和四機(jī)部、郵電部各廠，從工藝上改變了推板空氣窯燒結(jié)，出窯后經(jīng)真空罐冷卻的落后方式，改用真空爐，并控制燒結(jié)、冷卻氣氛。技術(shù)上采用共沉淀法攻關(guān)試制出了μQ乘積 60 萬和 100 萬的低損耗高穩(wěn)定材料，在此基礎(chǔ)上，還實(shí)現(xiàn)了高μ7000～10000材料的突破，從而大大縮短了與國外企業(yè)的技術(shù)差異。當(dāng)時正處于通信技術(shù)由FDM（頻率劃分調(diào)制）向PCM（脈沖編碼調(diào)制） 轉(zhuǎn)換時期， 日本人明石雅夫發(fā)表了μQ乘積125 萬為 0.8×10 ，100KHz）的超優(yōu)鐵氧體材料<3>，其磁滯系數(shù)降為優(yōu)鐵
磁芯電感器的諧波失真分析 摘 要：簡述了改進(jìn)鐵氧體軟磁材料比損耗系數(shù)和磁滯常數(shù)ηB，從而降低總諧波失真THD的歷史過程，分析了諸多因數(shù)對諧波測量的影響，提出了磁心性能的調(diào)控方向。 關(guān)鍵詞：比損耗系數(shù)， 磁滯常數(shù)ηB ，直流偏置特性DC-Bias，總諧波失真THD Analysis on THD of the fer rite co res u se d i n i nductancShi Yan Nanjing Finemag Technology Co. Ltd., Nanjing 210033 Abstract: Histrory of decreasing THD by improving the ratio loss coefficient and hysteresis constant of soft magnetic ferrite is briefly narrated. The effect of many factors which affect the harmonic wave testing is analysed. The way of improving the performance of ferrite cores is put forward. Key words: ratio loss coefficient，hysteresis constant，DC-Bias，THD 近年來，變壓器生產(chǎn)廠家和軟磁鐵氧體生產(chǎn)廠家，在電感器和變壓器產(chǎn)品的總諧波失真指標(biāo)控制上，進(jìn)行了深入的探討和廣泛的合作，逐步弄清了一些似是而非的問題。從工藝技術(shù)上采取了不少有效措施，促進(jìn)了質(zhì)量問題的迅速解決。本文將就此熱門話題作一些粗淺探討。 一、 歷史回顧 總諧波失真（Total harmonic distortion） ，簡稱THD，并不是什么新的概念，早在幾十年前的載波通信技術(shù)中就已有嚴(yán)格要求<1>。1978年郵電部公布的標(biāo)準(zhǔn)YD/Z17－78“載波用鐵氧體罐形磁心”中，規(guī)定了高μQ材料制作的無中心柱配對罐形磁心詳細(xì)的測試電路和方法。如圖一電路所示，利用LC組成的150KHz低通濾波器在高電平輸入的情況下測量磁心產(chǎn)生的非線性失真。這種相對比較的實(shí)用方法，專用于無中心柱配對罐形磁心的諧波衰耗測試。 這種磁心主要用于載波電報、電話設(shè)備的遙測振蕩器和線路放大器系統(tǒng)，其非線性失真有很嚴(yán)格的要求。
圖中 ZD —— QF867 型阻容式載頻振蕩器，輸出阻抗 150Ω， Ld47 —— 47KHz 低通濾波器，阻抗 150Ω，阻帶衰耗大于61dB， Lg88 ——并聯(lián)高低通濾波器，阻抗 150Ω，三次諧波衰耗大于61dB Ld88 ——并聯(lián)高低通濾波器，阻抗 150Ω，三次諧波衰耗大于61dB FD —— 30～50KHz 放大器， 阻抗 150Ω， 增益不小于 43 dB，三次諧波衰耗b3(0)≥91 dB, DP —— Qp373 選頻電平表，輸入高阻抗， L ——被測無心罐形磁心及線圈， C ——聚苯乙烯薄膜電容器CMO-100V-707APF±0.5%,二只。
測量時，所配用線圈應(yīng)用絲包銅電磁線SQJ9×0.12(JB661-75)在直徑為16.1mm的線架上繞制 120 匝， （線架為一格） ， 其空心電感值為 318μH（誤差1％） 被測磁心配對安裝好后，先調(diào)節(jié)振蕩器頻率為 36.6～40KHz， 使輸出電平值為+17.4 dB， 即選頻表在 22′端子測得的主波電平 （P2）為+17.4 dB，然后在33′端子處測得輸出的三次諧波電平（P3）， 則三次諧波衰耗值為：b3(+2)= P2+S+ P3 式中：S 為放大器增益dB 從以往的資料引證， 就可以發(fā)現(xiàn)諧波失真的測量是一項很精細(xì)的工作，其中測量系統(tǒng)的高、低通濾波器，信號源和放大器本身的三次諧波衰耗控制很嚴(yán)，阻抗必須匹配，薄膜電容器的非線性也有相應(yīng)要求。濾波器的電感全由不帶任何磁介質(zhì)的大空心線圈繞成，以保證本身的“潔凈” ，不至于造成對磁心分選的誤判。 為了滿足多路通信整機(jī)的小型化和穩(wěn)定性要求， 必須生產(chǎn)低損耗高穩(wěn)定磁心。上世紀(jì) 70 年代初，1409 所和四機(jī)部、郵電部各廠，從工藝上改變了推板空氣窯燒結(jié)，出窯后經(jīng)真空罐冷卻的落后方式，改用真空爐，并控制燒結(jié)、冷卻氣氛。技術(shù)上采用共沉淀法攻關(guān)試制出了μQ乘積 60 萬和 100 萬的低損耗高穩(wěn)定材料，在此基礎(chǔ)上，還實(shí)現(xiàn)了高μ7000～10000材料的突破，從而大大縮短了與國外企業(yè)的技術(shù)差異。當(dāng)時正處于通信技術(shù)由FDM（頻率劃分調(diào)制）向PCM（脈沖編碼調(diào)制） 轉(zhuǎn)換時期， 日本人明石雅夫發(fā)表了μQ乘積125 萬為 0.8×10 ，100KHz）的超優(yōu)鐵氧體材料<3>，其磁滯系數(shù)降為優(yōu)鐵
近年來，便攜式設(shè)備如掌上電腦、個人通信設(shè)備等電子消費(fèi)產(chǎn)品得到了飛速發(fā)展，這些電子產(chǎn)品均采用鋰電池供電。鋰離子電池的電壓隨著充放電狀態(tài)的改變會發(fā)生很大變化，使得電池電壓可能高于、也可能低于系統(tǒng)所需電源電壓，需要升壓/降壓DCDC轉(zhuǎn)換器將變化的電池電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓，實(shí)現(xiàn)升壓模式與降壓模式之間的平滑過渡和提高過渡模式的效率是升壓/降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文首先介紹了H橋升壓降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理與存在的問題。系統(tǒng)在升壓和降壓轉(zhuǎn)換過程中，會發(fā)生跳周期現(xiàn)象，產(chǎn)生較大輸出紋波，因此本文提出在該轉(zhuǎn)換模式下，增加H橋非反相工作模式作為過渡模式，以減小系統(tǒng)的輸出紋波。在過渡模式下為了得到高的轉(zhuǎn)換效率，因此本文改進(jìn)H橋非反相工作模式，來提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。其次，本文推導(dǎo)出H橋升壓/降壓轉(zhuǎn)換器的三種工作模式包括升壓模式、過渡模式、降壓模式的小信號模型，用 sisotool工具搭建系統(tǒng)頻域模型，確定系統(tǒng)的補(bǔ)償方案，再用 simulink搭建整個H橋升壓降壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，在三種工作模式下驗證補(bǔ)償方案。最后，本論文采用035 um TSMCCMOS工藝設(shè)計H橋升壓/降壓DCDC轉(zhuǎn)換器，可輸入電壓范圍是2.7-52V，VFB為1.2V，開關(guān)頻率范圍為300KHz-2MHz，輸出最大電流為600mA。提取電路網(wǎng)表，在開關(guān)頻率為1MH條件下，Hspice仿真與分析，從仿真結(jié)果上看，當(dāng)輸出電阻分別為R=5.59和R=339重載情況下下，系統(tǒng)在升壓模式的轉(zhuǎn)換效率為91%和94%、在升壓降壓模式的轉(zhuǎn)換效率為75%和83%、在降壓模式下轉(zhuǎn)換效為73%和79%，過渡模式下的紋波為30mV：當(dāng)輸出電阻R=509輕載條件下，輸入電壓分別為2.7V、3.3V、4.2V，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率分別為79%、65%、73%以上結(jié)果表明本文所實(shí)現(xiàn)的DC電路達(dá)到高效、紋波小的要求
