微波铁氧体器件

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1．引言

    软磁铁氧体材料由于其较低的矫顽力及较好的宽频特性，在通信及电子设备中获得了广泛的应用。如在EMI电源线滤波器中，不同的磁性材料按其特性的不同分别被制成共模扼流圈或差模电感，它们是模拟滤波器中最为关键的一类器件。然而，由于软磁铁氧体材料本身所固有的温度、频率、负荷等非线性特性，使得滤波器的设计和分析变得非常困难。因此，磁性材料的特性，尤其是高频特性的分析对于EMI滤波器设计、分析起着非常重要的作用[5]。
    初始磁导率 μi是描述软磁铁氧体磁特性最重要的物理参数。厂家均提供该参数，但该参数是基于标准环形磁芯获得，而工程实际应用中大量使用的却是非环形磁芯，其磁芯形状、大小以及气隙长度等诸多因素都会对磁导率产生很大的影响，此时仍然依据标准环形磁芯的μi来设计必将导致较大的误差。因此，在滤波器或电感器件的工程设计中，往往需要利用另一类描述参数即有效磁导率μi来评定或分析磁性材料的实际特性。

                               
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式中，le为磁芯的有效磁路长度(am)，lg为气隙长度。
    由式(1)可知，对于环形磁芯，其有效磁导率就等于初始磁导率，而对于非环形磁芯则不同，le与lg均不易获得，因此如何获取非环形磁芯的有效磁导率成为一项难题。若采用理论建模分析的方法，其建模过程将会复杂且缺乏准确度。而常规的磁性参数测量方法则具有非线性、多值性并且采用间接测量技术，其过程复杂且易受测量仪器、测量条件和测量人员等因素的影响”1，因而采用这种方法也是不实际的。为此本文提出一种利用频谱仪进行简易测量，进而获得磁芯材料特性的参数分析方法。
2．磁芯材料特性的参数分析方法
    有效磁导率μe与电感L的关系为

                               
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     式中，N为线圈匝数，A 为磁芯的有效截面积(am )，Z为磁芯的有效磁路长度(cm)。
    由式(2)可知，电感器的电感值取决于磁芯的物理特性(电感器的几何尺寸)与磁芯材料的有效磁导率，由此我们可以通过考察电感器的电感值来推测磁芯材料的特性。低频时，电感器性能稳定，不受分布参数的影响。然而高频时，器件受分布参数的影响导致器件性能发生变化。
    因此要考察一种磁芯材料的特性，可从两方面考虑：
    (1)对于材料在低频下的特性，可以通过测量其电感值来对比不同材料间的差异。
    (2)对于材料在高频下的特性，可以通过测量电感器的插入损耗值来确定。
2．1 电感器的插入损耗:
    利用二端口理论来考察电感器，插入损耗IL(insertionloss)定义为：没有电感器接入时，从源端传输到负载端的功率Pt和接入电感器后，从源端传输到负载端的功率P2之比，用dB(分贝)表示，电感器接入前、后的电路如图1(a)、(b)所示：

                               
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    由定义有：

                               
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     由图1(a)可得：

                               
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     由图1(b)可得：

                               
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     由以上各式联立解得V2 ：

                               
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    将V1、V2 代入式(4)得电感器的插入损耗为：

                               
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     式中，Zs为源端阻抗(Ω)，ZL为负载端阻抗(Ω)，a11、a12、a21、a22为转移参数矩阵中的四个元素。

2.1.1 电感器高频等效电路
    若设电感器的阻抗为Z，假如从网络端口的角度来考虑一个电感器，则根据二端口理论可知对于串联电感器，其转移参数矩阵A为：

                               
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     实际应用中的电感器L，其绕制导线中含有直流电阻R以及分布电容Cp，因此在某些频率上会发生并联谐振。实际电感器的高频等效电路如图2所示：

                               
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    其阻抗为：

                               
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2·2 电感器插入损耗IL与电感值L的关系
    将式(12，)7 ，式(13)代入尺+式 (1)可得：

                               
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2．2．1绕组的直流电阻R_HS
    假设构成绕组的导线总长度为l，横截面为A，则绕组的直流电阻为：8/e0^'q#[--非法转载将被追究责任] 7L 076

                               
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     式中ρc为导线材料的电阻率。对于铜来说。在20℃时的ρc值为1.64×10-8Ω.m，电阻率的温度系数为3.93×10一 ℃ -1
    若导线的直径为d，每匝平均长度为lm ，匝数为N，则式(15)可以表示为

                               
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2．2  2分布电容
    由于绕组匝间靠近， 所以不可避免地产生绕组匝间的小电容。所有横跨整个电感器的这些小电容之和(包括匝间电容和层间电容)统称为分布电容。
    对于一层的分布电容CM[2]为

                               
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     式中 S一层面积(mm2)
    t-电介质厚度（mm）
    e-隔离电介质对介电常数
    如果使用M层绕组，则总的分布电容C 为

                               
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     式中， Cm是第一层绕组的分布电容， 按式(17)计算。
3． 算例及结论
    实际测试使用的电感器采用了罐形磁芯和环形磁芯(图3），绕组均采取多层平绕的方式。其中罐形磁芯①号、②号）的饶线径均为0.41mm。匝数分别为①号145匝、②号100匝。环形磁芯(③号)的绕线线径为0． 34mm，匝数175匝。主要尺寸参数及磁性参数见表1。

                               
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    在实际测试过程中，用DF2811A型数字电桥来测量低频(100Hz～10KHz)状态下不同电感器的电感值(表2)，用AV4032B多功能微波频谱分析仪测量电感器的插入损耗(频率范围20K～IOM)(图4)，测试过程中使用的信号发生器和频谱分析仪的端阻抗都被设计成了50Q，也即是z ：z ：50Q 。

                               
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    图5为磁导率随频率变化的曲线，其中“标准”曲线为厂家提供的与被测磁芯同种材料的标准环形磁芯的初始磁导率曲线。曲线“① ”、“②”为实测的罐形磁芯电感器的有效磁导率，曲线“③ ”为实测的环形磁芯的有效磁导率。
    如前所述，环形磁芯的有效磁导率就等于其材料的初始磁导率。分析图5发现，环形磁芯(③号)有效磁导率曲线与“标准”曲线较为吻合。而同种材料制成的罐形磁芯(① 、②号)，其有效磁导率则存在明显不同，但其随频率变化的趋势与“标准”曲线磁导率随频率变化的趋势吻合。导致这种现象的原因是软磁铁氧体材料特性易受到环境温度、工作时间以及应力分布的影响[41，另外，不同磁芯的气隙也有所不同，从而导致非环形磁芯的有效磁导率并不等同于材料的初始磁导率，而且单独器件的有效磁导率也是彼此不同的。

                               
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    另外，受测试条件限制，测试所得的低频电感值和高频插入损耗值均存在一定程度的误差。
    综合上述原因可知计算结果曲线不可能与标准曲线在数值上完全吻合，但此方法可提供一种考察磁芯材料特性的简易手段，为应用于EMI电源滤波器中电感器的设计带来便利。
参考文献
1．徐刚明，陆柏松，周世昌．磁性材料的磁性参数测量问题与质量保证方案[J]．磁性材料及器件，2000，31(2)：53—57．
2．陈穷等．电磁兼容性工程设计手册[M】．北京：国防工业出版社，1993．
3． Fair—Rite Products Corp． Fair—Rite Soft Ferrites．Ferrite Products for The Electronics Industry．
4．过壁君．磁芯设计及应用[M]．成都：电子科技大学出版社，1989．
5．刘鹏程，邱扬．电磁兼容原理及技术[M]．北京：高等教育出版社，1993．

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EI	EE	EE	PQ	EC
EI60	EE80	EE35	PQ50/50	EC90
EI50	EE72	EE30	PQ40/40	EC70
EI40	EE70	EE25	PQ35/35	EC52
EI35	EE60	EE19	PQ32/30	ECI70
EI33	EE55	EE16	PQ32/20	EER49/54
EI30	EE50	EE13	PQ26/25	EER49/43
EI28	EE49	EE10	PQ26/20	EER49/38
EI25	EE42	—	PQ20/20	EER42/43
EI22	EE42/20	—	PQ20/16	EER42/45
EI19	—	—	—	EER40/45
EI16	—	—	UF102	EER28L

常用功率铁氧体材料牌号技术参数

项目	条件	单位	PC30	PC40	2500B	B25	3C8	N27
μi	—	—	2500	2300	2500	2300	2000	2000
Bms	H=1200A/m	mT	510	510	490	510	450	510
Br	H=800A/m	mT	117	95	100	130	—	—
Hc	—	A/m	12	14.3	15.9	15.9	18.8	20
Tc	—	℃	>230	>215	>230	>220	>200	>220
P	200mT23℃ 25KHz60℃ 100℃	KW/m3	130	600	95	600	900	48
—		KW/m3	90	—	70	—	—	—
—		KW/m3	100	—	75	—	—	—
—	100mT60℃ 100KHz100℃	KW/m3	—	450	—	450	—	—
—		KW/m3	—	410	—	410	—	—
公司	—	—	TDK	TDK	TOKIN	TOKIN	FERROCXLUBE	SIEMENS

EI型磁芯规格及参数

                               
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型号	A	B	C	D	E	F	H	Ae (c㎡)	Le (cm)	Ve (cm3)	AL nH/N2	µe
EI16	16	—	—	5	12.2	—	2	0.198	3.46	0.67	1100	1575
EI19	20	—	—	5.2	13.55	—	2.3	0.24	3.96	0.95	1400	1825
EI22	22	12.6	6	6	14.3	10.3	4.5	0.42	3.93	1.63	2400	2255
EI25	25.3	19	6.5	7	15.3	12.2	2.7	0.41	4.7	1.927	2140	1962
EI28	28	18.6	7.5	11	16.5	12.0	3.5	0.86	4.82	4.145	4300	1960
EI30	30	19	11	11	21	16	5.5	1.11	5.80	6.44	4750	1984
EI33	33	—	—	13	23.5	—	9.7	1.185	6.75	8.00	4450	2030
EI35	35	24.5	10	10	24	18	4.6	1.01	6.71	6.80	3950	2100
EI40	40	26.8	12	12	27.25	21	7.5	1.48	7.7	11.3	5000	2070
EI50	50	34	15	15	33	24.5	9	2.3	9.4	21.6	6300	2070
EI60	60	44	16	16	36	28	8.5	2.47	10.9	27.1	6000	2126

PQ型磁芯规格及参数

                               
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型号	A	B	C	D	E	F	I	Ae (c㎡)	Le (cm)	Ve (cm3)	AL (nH/N2)	μe
PQ 20/16	20.5	8.2	14	18	8.7	12.5	5.4	0.62	3.74	2.31	3880	1868
PQ 20/20	20.5	10.2	14	18	8.7	12.5	7.4	0.62	4.54	2.79	3310	1944
PQ 26/20	26.5	10.2	19	23	12	12.6	5.9	1.19	4.63	5.49	6170	1920
PQ 26/25	26.5	12.5	19	22.5	12.2	15.5	7.9	1.18	5.55	6.53	5250	1972
PQ 32/20	32	10.4	22	27.5	13.7	19	5.6	1.70	5.55	9.42	7310	1896
PQ 32/30	32	15.3	22	27.5	13.7	19	10.5	1.61	7.46	11.97	5140	1898
PQ 35/35	35	17.5	26	32	14.6	23.5	12.35	1.96	8.79	17.26	4860	1733
PQ 40/40	41	20.0	28	37	15.2	27.5	14.6	2.01	10.19	20.45	4300	1738
PQ 50/50	50	25.1	32	44	20.35	31.5	17.9	3.28	11.3	37.24	6720	1850

EE型磁芯规格及参数

                               
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型号	A	B	C	D	E	F	Ae (c㎡)	Le (cm)	Ve (cm3)	AL (nH/N2)	μe
EE10	10.2	8	2.4	4.75	5.5	1.3	0.12	2.61	0.315	1006	1767
EE13	13	10	2.7	6.15	6	1.3	0.171	3.02	0.517	1100	1550
EE16	16	12	4	5	7	2	0.19	3.40	0.65	1200	1728
EE19	19	14	4.8	4.9	8	2.6	0.22	3.90	0.86	1350	1880
EE25	25	15.6	6.6	6.5	9.5	3.3	0.40	4.90	1.96	2000	1952
EE30	30	20	11	11	13	5	1.09	5.80	6.32	4750	2000
EE33	33	—	—	13.7	13.8	—	1.15	7.55	8.71	3840	2000
EE35	34.9	26.5	9.3	9.5	14.2	4	1.06	7.00	7.39	3790	1990
EE40	40	28	11	11	16.5	6.5	1.48	7.70	11.40	4250	2040
EE42	42	29.6	12.2	15.2	21	6.2	1.82	9.70	17.60	4700	2510
EE50	50	35	15	15	21	8.5	2.26	9.60	21.7	6250	2125
EE55	56	37.6	17.2	21.0	27.5	9	3.54	12.3	43.5	7100	1977
EE60	60	44.6	16	16	22	8.3	2.47	11.0	27.2	6000	2135
EE70	71	46.6	22.2	20	54	11.1	4.45	23.18	103.0	4820	1990
EE72	72.3	53.5	19	19	20	9.5	3.58	13.4	48.1	6700	1995
EE80	79.3	59.4	20	19.8	37.5	9.5	3.81	18.3	69.8	5200	1980

EC、EER型磁芯规格及参数

                               
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型号	A	B	φC	D	E	F	E-E	Ae (c㎡)	Le (cm)	Ve (cm3)	AL (nH/N2)	μe
EC90	91	71.2	30	30	45	9.6	91/90	6.24	21.6	13.50	5550	—
EC70	71	43.4	16.8	16.8	34.5	11.7	71/69	2.79	14.4	40.1	4800	1963
EIC70	70	44	16.2	16.2	29.8	6.8	70/39	2.79	—	—	—	—
EC52	53	32.1	13.75	13.75	24.2	8.7	53/49	1.8	10.5	18.8	4200	1942
EER49	49	37.4	16.9	16.9	27	8.4	49/54	2.46	11.8	29.09	5700	1900
EER49	49	37	16.9	16.9	21.5	6.5	49/43	2.55	10.0	25.5	5700	1900
EER49	49	37.3	17	17.2	19	6.5	49/38	2.291	9.72	22.26	5500	1860
EER42	42	32.5	17.3	19.5	21.3	5.9	42/43	2.40	9.86	23.64	5760	1900
EER42	42	31.3	15.1	15.5	22.4	5.7	42/45	1.825	10.18	18.57	4200	1860
EER40	40	29.4	13.3	13.3	22.4	7	40/45	1.528	10.24	15.64	3450	1840
EER28	28	21.9	10	11.4	17	4.3	28/34	0.814	7.55	6.14	2500	1900

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