可飽和電感特性及開關(guān)噪聲抑制作用

　　1　引言

　　可飽和電感是一種磁滯回線矩形比高、起始磁導(dǎo)率高、矯頑力小、具有明顯磁飽和點的電感，在電子電路中常被當作可控延時開關(guān)元件來使用。由于具有獨特的物理特性，可飽和電感在高頻開關(guān)電源的開關(guān)噪聲抑制技術(shù)及大電流輸出輔路穩(wěn)壓技術(shù)等方面也得到了日益廣泛的應(yīng)用。

　　2　可飽和電感的基本物理特性

　　圖1(a)和圖1(b)分別是普通鐵氧體電感和可飽和電感的磁滯回線。從兩者的對比中可以明顯看出可飽和電感具有高磁滯回線矩形比(Br/Bs)、高起始磁導(dǎo)率mi、低矯頑力Hc、明顯的磁飽和點(A，B)等特怔。此外，由圖1(b)還可以看出，可飽和電感的磁滯回線所包圍的面積狹小，所以可飽和電感的高頻磁滯損耗相應(yīng)也較小。由于可飽和電感通常是由微晶、非晶、坡莫合金等鐵磁性材料制造的，所以可飽和電感一般都具有很高的起始磁導(dǎo)率mi和很高的飽和磁感應(yīng)

　　強度Bs。由于物理特性上的差異,可飽和電感在應(yīng)用方面與普通鐵氧體電感有兩個顯著的不同之處：

　　(1)由于飽和磁場強度很小，所以可飽和電感的儲能能力很弱，不能被當作儲能電感使用?？娠柡碗姼械淖畲髢δ蹺m的理論值可由下式表示：

　　Em=m•H2•V/2　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

　　式中：m：臨界飽和點磁導(dǎo)率;H：臨界飽和點磁場強度;V：磁性材料的有效體積。

　　(2)由于可飽和電感的起始磁導(dǎo)率高、磁阻小，電感系數(shù)和電感量都很大，在施加外部電壓時，電感內(nèi)部起始電流增長緩慢，只有經(jīng)過DT的延時時間后，當電感線圈中的電流達到一定數(shù)值時，可飽和電感才會立即飽和，具有非常明顯的開關(guān)特性，因而在電路中常被當作可控延時開關(guān)元件使用，可飽和電感的這種開關(guān)特性是普通鐵氧體電感所不具備的。

　　普通鐵氧體電感和可飽和電感在直流電壓Vdc作用下的電流強度I隨時間t變化的曲線如圖2(a)和圖2(b)所示。

　　3　可飽和電感的開關(guān)噪聲抑制作用

　　開關(guān)電源通常都工作在幾十千赫茲到幾百千赫茲的頻段內(nèi)，電源次級側(cè)的整流二極管在高頻關(guān)斷過程中會流過較大的反向恢復(fù)電流，因此形成的電源導(dǎo)通尖峰噪聲是開關(guān)電源噪聲的重要組成部分。設(shè)法減小整流二極管的反向恢復(fù)電流，從而減小開關(guān)電源的傳導(dǎo)和輻射噪聲是開關(guān)電源設(shè)計中的一個重要方面。

　　在圖3(a)所示的正激電源電路中，當初級功率管V1開始導(dǎo)通，次級整流二極管D1開始導(dǎo)通，D2開始截止時，由于二極管PN結(jié)的電荷存儲效應(yīng)，D2中流過了電流變化率di/dt很大的反向恢復(fù)尖峰電流i，致使V1、D1中也有相應(yīng)的尖峰電流流過，在漏感、線電感等因素的共同作用下會在電源輸出端產(chǎn)生高頻的導(dǎo)通噪聲。在D2上施加的反向電壓越大，D2的反向恢復(fù)時間越長，反向恢復(fù)電流變化率di/dt就越大，電源輸出噪聲也就越大。大的反向恢復(fù)尖峰電流，不僅會產(chǎn)生電源噪聲，也容易損壞整流器件。

　　當初級功率管V1開始截止，次級整流二極管D1開始截止，D2開始導(dǎo)通續(xù)流時，由于同樣的原因，電源輸出端也會產(chǎn)生高頻關(guān)斷噪聲，關(guān)斷噪聲通常較導(dǎo)通噪聲小很多，一般不作為電源設(shè)計考慮的重點。

　　為了有效減小整流二極管的反向恢復(fù)電流、抑制反向恢復(fù)電流變化率，在電源設(shè)計中通常采取的措施有：選用無PN結(jié)電荷存儲效應(yīng)、反向恢復(fù)時間很短的肖特極二極管或選用反向恢復(fù)電流變化率小，具有軟恢復(fù)特性的整流二極管作為次級整流器件;在整流二極管兩端并入RC緩沖電路，或在整流二極管中串聯(lián)小電感以軟化開關(guān)電壓或反向恢復(fù)電流的變化率。由于可飽和電感具有電感系數(shù)大、容易飽和、儲能作用弱等特點，所以非常適合作為限流電感串聯(lián)在整流二極管中，從而使整流二極管反向恢復(fù)電流的幅值及變化率都被限制在一個合理的范圍內(nèi)。

　　在圖3(b)所示電路中，當V1開始導(dǎo)通，D1開始導(dǎo)通，D2開始截止時，由于可飽和電感Ls的限流作用，D2中流過的反向恢復(fù)電流的幅值和變化率都會顯著減小，從而有效地抑制了高頻導(dǎo)通噪聲的產(chǎn)生。在二極管D2導(dǎo)通、關(guān)斷、導(dǎo)通的過程中，Ls中磁感應(yīng)強度的變化如圖4所示。D2中的電流由正向電流、零電流、最大反向電流再到零電流的反向恢復(fù)過程中，Ls中相應(yīng)的磁感應(yīng)強度位于圖4中的A、B、C、D各點。在二極管D2續(xù)流導(dǎo)通后，相應(yīng)的磁感應(yīng)強度將會由D點重新過渡到A點。在D2由截止變?yōu)閷?dǎo)通續(xù)流時，由于Ls存在著導(dǎo)通延時時間DT，這會影響D2的續(xù)流作用，并會在D2的負極產(chǎn)生負值尖峰電壓，在電路中增加輔助二極管D3及電阻R1，可以較好地解決這一問題。

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