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可饱和电感特性及开关噪声抑制作用介绍

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本文章讲述了可饱和电感特性及开关噪声抑制作用介绍.

1 引

可饱和电感是一种磁滞回线矩形比高、起始磁导率高、矫顽力小、具有明显磁饱和点的电感,在电子电路中常被当作可控延时开关元件来使用。由于具有独特的物理特性,可饱和电感在高频开关电源的开关噪声抑制技术及大电流输出辅路稳压技术等方面也得到了日益广泛的应用。

2 可饱和电感的基本物理特性

图1(a)和图1(b)分别是普通铁氧体电感和可饱和电感的磁滞回线。从两者的对比中可以明显看出可饱和电感具有高磁滞回线矩形比(Br/Bs)、高起始磁导率mi、低矫顽力Hc、明显的磁饱和点(A,B)等特怔。此外,由图1(b)还可以看出,可饱和电感的磁滞回线所包围的面积狭小,所以可饱和电感的高频磁滞损耗相应也较小。由于可饱和电感通常是由微晶、非晶、坡莫合金等铁磁性材料制造的,所以可饱和电感一般都具有很高的起始磁导率mi和很高的饱和磁感应

强度Bs。由于物理特性上的差异,可饱和电感在应用方面与普通铁氧体电感有两个显著的不同之处:

(1)由于饱和磁场强度很小,所以可饱和电感的储能能力很弱,不能被当作储能电感使用。可饱和电感的最大储能Em的理论值可由下式表示:

Em=m?H2?V/2 (1)

式中:m:临界饱和点磁导率;H:临界饱和点磁场强度;V:磁性材料的有效体积。

(2)由于可饱和电感的起始磁导率高、磁阻小,电感系数和电感量都很大,在施加外部电压时,电感内部起始电流增长缓慢,只有经过DT的延时时间后,当电感线圈中的电流达到一定数值时,可饱和电感才会立即饱和,具有非常明显的开关特性,因而在电路中常被当作可控延时开关元件使用,可饱和电感的这种开关特性是普通铁氧体电感所不具备的。

普通铁氧体电感和可饱和电感在直流电压Vdc作用下的电流强度I随时间t变化的曲线如图2(a)和图2(b)所示。

3 可饱和电感的开关噪声抑制作用

开关电源通常都工作在几十千赫兹到几百千赫兹的频段内,电源次级侧的整流二极管在高频关断过程中会流过较大的反向恢复电流,因此形成的电源导通尖峰噪声是开关电源噪声的重要组成部分。设法减小整流二极管的反向恢复电流,从而减小开关电源的传导和辐射噪声是开关电源设计中的一个重要方面。

在图3(a)所示的正激电源电路中,当初级功率管V1开始导通,次级整流二极管D1开始导通,D2开始截止时,由于二极管PN结的电荷存储效应,D2中流过了电流变化率di/dt很大的反向恢复尖峰电流i,致使V1、D1中也有相应的尖峰电流流过,在漏感、线电感等因素的共同作用下会在电源输出端产生高频的导通噪声。在D2上施加的反向电压越大,D2的反向恢复时间越长,反向恢复电流变化率di/dt就越大,电源输出噪声也就越大。大的反向恢复尖峰电流,不仅会产生电源噪声,也容易损坏整流器件。

当初级功率管V1开始截止,次级整流二极管D1开始截止,D2开始导通续流时,由于同样的原因,电源输出端也会产生高频关断噪声,关断噪声通常较导通噪声小很多,一般不作为电源设计考虑的重点。

为了有效减小整流二极管的反向恢复电流、抑制反向恢复电流变化率,在电源设计中通常采取的措施有:选用无PN结电荷存储效应、反向恢复时间很短的肖特极二极管或选用反向恢复电流变化率小,具有软恢复特性的整流二极管作为次级整流器件;在整流二极管两端并入RC缓冲电路,或在整流二极管中串联小电感以软化开关电压或反向恢复电流的变化率。由于可饱和电感具有电感系数大、容易饱和、储能作用弱等特点,所以非常适合作为限流电感串联在整流二极管中,从而使整流二极管反向恢复电流的幅值及变化率都被限制在一个合理的范围内。

在图3(b)所示电路中,当V1开始导通,D1开始导通,D2开始截止时,由于可饱和电感Ls的限流作用,D2中流过的反向恢复电流的幅值和变化率都会显著减小,从而有效地抑制了高频导通噪声的产生。在二极管D2导通、关断、导通的过程中,Ls中磁感应强度的变化如图4所示。D2中的电流由正向电流、零电流、最大反向电流再到零电流的反向恢复过程中,Ls中相应的磁感应强度位于图4中的A、B、C、D各点。在二极管D2续流导通后,相应的磁感应强度将会由D点重新过渡到A点。在D2由截止变为导通续流时,由于Ls存在着导通延时时间DT,这会影响D2的续流作用,并会在D2的负极产生负值尖峰电压,在电路中增加辅助二极管D3及电阻R1,可以较好地解决这一问题。

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