本文從電子整機(jī)向小型與高性能發(fā)展趨勢出發(fā)，介紹了電源技術(shù)的一次革命——開關(guān)電源的發(fā)展，進(jìn)而闡述了在開關(guān)電源中應(yīng)用的磁性器件與
磁性材料，并看重介紹了MnZn功率鐵氧體和非晶超微晶合金材料的技術(shù)動(dòng)向。
關(guān) 鍵 詞 開關(guān)電源
磁性材料 鐵氧體 超微晶
一、前 言
隨著電子整機(jī)電路向著小型輕量、高性能、高密度安裝方向的迅速發(fā)展，對(duì)電子元器件小型化、輕重量、復(fù)合化、多功能、高可靠、長壽命等方面的要求日益迫切。作為電路中基礎(chǔ)之一的磁性元器件則是阻礙電子整機(jī)小型化的一大障礙，特別是體積，重量的矛盾尤為突出。例如在原有的程控交換機(jī)用戶電路中，共有23個(gè)電子元器件和集成電路，其中唯一的一個(gè)磁性器件就是電子變壓器，它的重量卻等于其他22個(gè)非磁性元器件重量的總和；在線路板上占據(jù)的面積也幾乎與之相等。又如某固體繼電器電路中有5個(gè)電阻，3個(gè)電容和1個(gè)電感器。就這一個(gè)電感器（原是在環(huán)形鐵氧體磁芯上繞以線圈而成）的重量是其他8個(gè)阻容元件的5倍。可見磁性器件的小型化問題多么的嚴(yán)重，所以世界各國的專家、工程師們投入了巨大的力量潛心研究，至目前已在電感器件（包括電子變壓器、電感器等）的小型化、片式化方面取得長足的進(jìn)展，尤其在高頻化方面成效更為顯著。
本文從電子整機(jī)向小型與高性能發(fā)展趨勢出發(fā)，介紹了電源技術(shù)的一次革命——開關(guān)電源的發(fā)展，進(jìn)而闡述了在開關(guān)電源中應(yīng)用的磁性器件與
磁性材料，并著重介紹了MnZn功率鐵氧體和非晶超微晶合金材料的技術(shù)動(dòng)向。
二、電源技術(shù)的一次革命——開關(guān)電源
電源（Power Supply）是一種將動(dòng)力供給另一單元的裝置，其作用是將發(fā)電站供應(yīng)的交流電轉(zhuǎn)換為所需要的直流電并維持穩(wěn)定的輸出。一般的電源是由晶體管組成的串聯(lián)穩(wěn)壓電源（即線性電路），體積大，耗功高，效率低。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，由于負(fù)載線路的多樣化，如在計(jì)算機(jī)、程控交換機(jī)、通信與多媒體等電子設(shè)備中，面臨著各式各樣的電路，所要求的電源穩(wěn)定度、效率與頻率也愈來愈高；在電子整機(jī)小型化中電源部分的體積已成為一大障礙；電源也正在向小型，薄型化方向推進(jìn)，線性電源已不能適應(yīng)和滿足這一發(fā)展要求。開關(guān)電源（Switching Power Supply ，以下稱SPS）便應(yīng)運(yùn)而生，它是電源技術(shù)中的一次革命。
2.1 SPS 的工作原理、種類及優(yōu)點(diǎn)
開關(guān)電源一般是以交流電壓110V或220V為輸入電壓，然后經(jīng)整流濾波成為直流電壓送到開關(guān)晶體管相串聯(lián)的變壓器初級(jí)上，運(yùn)用開關(guān)晶體管的導(dǎo)通（ON）或截止（OFF）的開關(guān)動(dòng)作在變壓器上經(jīng)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換后，得到所需要的輸出電壓，再經(jīng)整流濾波及反饋電路后即可從輸出端得到經(jīng)調(diào)節(jié)過的穩(wěn)定直流電壓供用戶使用。
電源因輸出功率及方式不同而分為傳統(tǒng)線性電源和開關(guān)電源兩大類別，而開關(guān)電源又分為斷續(xù)式轉(zhuǎn)換式兩種，而從最終供應(yīng)器形式上看而又有AC/DC，DC/DC之分，如圖1所示
圖1 電源的種類
在同一電源容量下，轉(zhuǎn)換式開關(guān)電源供應(yīng)器的工作效率，遠(yuǎn)較線性電源高，發(fā)熱小，回路損耗小，所以其變壓器之散熱器可大幅度地小型化、輕量化，這便是開關(guān)電源的主要特征。由于SPS控制電路較復(fù)雜，其高效二極管工作時(shí)而產(chǎn)生雜波而干擾信號(hào)傳輸，因此必須增加濾波器來處理。SPS輸出電壓中的的諧波成分較線性電源大，是它的一大缺點(diǎn)，但其優(yōu)點(diǎn)則是最主要的：
（1）高效率，一般為65-85%，損耗小，散熱問題容易處理。
（2）體積小，重量輕，工作頻率高（720KHz）。
（3）具有較高的保持時(shí)間。當(dāng)輸入交流電壓中斷或消失時(shí)，開關(guān)電源輸出電壓仍能維持在穩(wěn)定的電壓范圍內(nèi)，可保持15~40ms的時(shí)間以度過瞬間斷電，不至造成對(duì)數(shù)字電路工作的影響。這里，表1是兩種電源特性的比較。
2.2 SPS的應(yīng)用
由于開關(guān)電源具有高效率、小型輕量化、散熱好、損耗小、電源穩(wěn)定等特點(diǎn)，電子整機(jī)設(shè)備大量采用，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，如表2所示。
隨著電子信息技術(shù)，微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)等高科技的發(fā)展，一些精密電子設(shè)備對(duì)開關(guān)電源性能的要求越來越高，耐高電壓、可立即供電、漏電少、噪音低、可靠性高、高開關(guān)頻率、輕薄短小、高效率、低成本開關(guān)電源供應(yīng)器則是必然的技術(shù)發(fā)展方向。
三、 SPS中的磁性器件與材料
開關(guān)電源是利用開關(guān)過程來控制從輸入端向輸出端傳輸?shù)碾姽β剩瑥亩@得穩(wěn)定輸出電壓的。開關(guān)晶體管，能使輸入端和輸出端絕緣并同時(shí)兼有電壓轉(zhuǎn)換功能的變壓器，平滑用的電容器和儲(chǔ)能電感器都是構(gòu)成開關(guān)電源的基本元器件。從理論上講，單是提高開關(guān)頻率，變壓器、電感器和電容器的尺寸都能夠縮小，但首要的卻是必須提高電源的效率。因?yàn)椋糁皇求w積縮小了而損耗仍然很大，那么局部就成為發(fā)熱源，導(dǎo)致劇烈溫升。引起開關(guān)電源損耗的主要部分是開關(guān)晶體管、二極管、變壓器和電感器。晶體管的開關(guān)損耗可以采用諧振電路或電感轉(zhuǎn)換等措施來大幅度降低，而其磁性器件都存在著一定程度的損耗。可見，掌握到降低磁性器件損耗的技術(shù)也就把握住了提高開關(guān)頻率電源的效率、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其小型化的關(guān)鍵。降低磁性器件損耗的關(guān)鍵技術(shù)則是尋求低損耗的
磁性材料，圖2示出了開關(guān)電源中使用的磁性器件。
圖2 開關(guān)電源中作用的磁性器件
表3 列出了開關(guān)電源中使用的各種磁性器件在其磁芯工作狀態(tài)及高頻下應(yīng)當(dāng)考慮的損耗因素。表4是開關(guān)電源中使用的四種主要磁性器件及材料。
可見在開關(guān)電源中使用的磁性器件的磁性材料不外乎還是鐵氧體和金屬軟磁材料兩大類，而目前能滿足高頻低功耗要求的是Mn-Zn功率鐵氧體和非晶超微晶合金最具代表性。
3.1 Mn-Zn功率鐵氧體材料
這種用于開關(guān)電源中的特殊鐵氧體材料的產(chǎn)量目前已占軟磁鐵氧體總產(chǎn)量的30~40%。在使用中它必須工作在高磁通、高工作頻率下，并且要求高效率小體積，在較高溫度和較大迭加直流場下有著良好的性能。因此對(duì)這種材料技術(shù)性能的要求是：較高的初始磁導(dǎo)率 (μi) 和振幅磁導(dǎo)率 (μa); 較高的飽和磁通密度（Bs）與較低的剩余磁通密度（Br）；居里溫度（Tc）高功耗（Pc）低；工作頻率較高即電阻率（ρ）高等。
為滿足 SPS 向輕小、高頻化方向發(fā)展的需要，國內(nèi)外各廠商競相研發(fā)出了多種材料來，最具典型的是日本，如TDK公司，從80年代中后期開始相繼開發(fā)出了 Pc30， Pc40， Pc50等材料，90年代初又開發(fā)成功Pc44新材料，在100 KHz、200mT、80℃條件下其功率損耗值降低為300mw/，1996年又開發(fā)出高頻低損耗材料，其功耗又降為199mw/。其他如日本川崎制鐵，F(xiàn)DK公司，荷蘭philip公司等也都先后推出了高頻低功耗材料。至目前為止，Mn-Zn鐵氧體作為高頻功率材料所工作的最高頻率為3MHz即philips公司的3F4材料，Thomson公司的F6材料達(dá)到了2MHz，德國Siemens公司的N59材料也可用到1.5MHz頻率上了。我國的功率鐵氧體材料的性能一般只相當(dāng)于日本TDK公司產(chǎn)品Pc30牌號(hào)，少數(shù)企業(yè)才能小批生產(chǎn)Pc40牌號(hào)的產(chǎn)品。
一般說來， Mn-Zn 功率鐵氧體材料的高飽和磁通密度（Bs）由工藝配方?jīng)Q定，常溫下為500mT，在 100℃下為400mT；功耗Pc由制作工藝決定，采用添加劑和工藝過程控制來實(shí)現(xiàn)。
3.2 非晶超微晶合金
非晶超微晶合金即納米金屬
軟磁材料，其特點(diǎn)是高Bs高m低Hc和低高頻損耗，良好的溫度與環(huán)境穩(wěn)定性，其綜合磁性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Si鋼、鐵氧體和坡莫合金。其中性能最優(yōu)的是Fe基非晶超微晶，它是在非晶化基礎(chǔ)上經(jīng)特殊熱處理方法獲得的一種雙相軟磁合金，具有高Bs高μ和高頻低損耗的特點(diǎn)，它已克服了Co基非晶飽和磁通密度（Bs）低、價(jià)格昂貴，F(xiàn)eNi基非晶合金B(yǎng)s低、初始磁導(dǎo)率（μi）不高以及Fe基非晶合金有效磁導(dǎo)率低的缺點(diǎn)，從而拓展了非晶超微晶合金材料的應(yīng)用領(lǐng)域，滿足了電子整機(jī)與設(shè)備向高頻、高效、小型化、高穩(wěn)定性方向發(fā)展的需要。表5是超微晶合金的mi、高頻損耗與其他材料的比較，可見用于開關(guān)電源的磁性材料是多種多樣的，非晶超微晶合金的高頻低損耗性能已可與鐵氧體軟磁材料相抗衡了。
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