用于数字用户线路(xDSL)的网络变压器铁氧体磁心
Http://www.big-bit.com 2004年09月02日 03:33
1选择和计算信号变压器的标准
接入网技术数字用户线路(XDSL)中的网络变压器既要求阻抗匹配，又要求进行信号的分离，为了最大可能的延长信号传递的距离，变压器必须获得足够的带宽，这就要求使用的铁氧体磁心在整个工作温度范围-40—+85℃内具有很低的信号失真特性。本文对信号变压器设计过程中磁心的选择(包括磁心形状和材料特性)作一粗略的介绍。
谐波失真系数K3(对应三次谐波)和通带内插入损耗a c (f)是XDSL网络变压器设计中的关键参数。有两个参数：磁心失真因子(CDF)和形状失真因子(SDF)对选择合理的磁心能起到很好的参考作用。通过实际电路条件下失真变压器系数(distortion transformer coefficient (DTC))获得三次谐波失真系数K3，进一步计算出谐波失真度。在电路中磁滞损耗系数(ηB)和三次谐波系数K3直接关联，通过DTC参数可以进一步计算出实际阻抗条件下的电路特性。
信号失真会导致误码率的增加，从而限制本地环路的传输长度。对于不带偏置的对称信号，三次谐波分量在总谐波量中占主要部分，元件特性可以通过磁滞模型的磁滞损耗系数ηB来描述。
设计的目标是在实际电路条件下通过三次谐波系数k3C (式1)计算出三次谐波失真电压。
K3C≈ηB·CDF·DTC （1）
磁心失真因子(CDF)已将磁心的形状因素考虑在内，失真变压器系数(DTC)则考虑了实际的电路的阻抗特性。由于绕组损耗和磁心损耗都会限制传输带宽，因此在选择磁心材料时必须考虑到这一点，选择最佳的磁性材料和磁心形状是保证设计的变压器具有较小的信号失真和好的带宽特性的关键因素。
2选择正确的材料是确保质量的关键
在雷利(Rayleigh)曲线模型条件下，正弦励磁电流或正弦磁场下的磁滞损耗系数ηB和三次谐波失真系数K3具有直接关系(如公式2和3)。
k3=0.6·tanδh （2）
tanδh=ηB·μe·△B （3）
当参数tanδh表示低磁感应强度增量△B时的磁滞损耗因子时，参数μe表示磁心的有效磁导率(通常已经考虑了磁心已经开了气隙)。设计网络变压器时的磁心选择基本标准是要求磁心在-40—+85℃的温度范围内具有低的磁滞损耗系数，改进磁滞损耗系数的材料 T33的初始磁导率为μi=10,000。


另一关键特性是铁氧体材料的频率特性，图2为新的T38材料与以前的材料的复数磁导率的频率响应特性比较。对于要求大带宽的XDSL变压器尤其要求材料具有好的频率响应特性，这样，在变压器的通频带内才能保证具有很低的插入损耗和平坦的响应曲线。磁性材料对插入损耗(ac(f))的影响主要表现为影响变压器通频带带宽。所以插入损耗ac(f)直接和并联电导gp(f)成正比，如表达式4：
ac(f)≈gp(f) （4）
并联电导gp(f)表示铁氧体材料在小信号下的损耗特性，可以通过虚拟的并联的复数磁导率的虚部进行计算，如表达式5：
（5）
对于正确的选择材料，gp(f)是非常有用的参数，如图3所示，反应不同材料的并联电导gp在ADSL频段和VDSL频段的频率特性，非常有价值的是，通过选择参数gp(f)，将对材料的选取简单化。

数字用户线路(xDSL)的网络变压器的谐波失真不仅仅和铁氧体材料有关，也和磁心形状有关，磁心失真因子(CDF)和形状失真因子(SDF)分别反映了磁心形状和尺寸大小对谐波失真的影响程度(如方程6-8所示)：
（6）

（7）
（8）
注：le表示不同形状磁心的有效磁路长度(具体定义参见IEC60205)
不同形状的各种尺寸的磁心失真因子(CDF)是不同的，不同的磁心有效体积的CDF差异是非常明显的。然而，磁心形状对形状失真因子(SDF)也有一定的影响(如图6)。因此，在电信通讯中通常选择的磁心形状为EP、RM、PTT、PR等，具有最小的波形失真，一般说来，磁心形状不会直接影响变压器的带宽，然而，由于磁心不同的形状影响绕组的结构，绕组结构又决定了绕组漏感的大小，漏感又直接影响带宽。
在计算变压器的最佳性能时必须考虑实际的电路条件，另外铁氧体材料特性，磁心形状，绕组结构以及外电路条件都对XDSL网络变压器信号失真有明显影响。三次谐波系数K3和实际电路条件下的同一参数K3c的相互关系通过失真变压器系数(DTC)表达如下：
k3C=k3·DTC （9）
（10）

DTC包含了绕组设计对谐波失真的影响(N1，N2，分别表示变压器原边和副边绕组匝数， L1表示原边励磁电感)，也包含了诸如工作频率f，信号源内部电阻Rs以及副边负载电阻RL等外部电路条件。

新闻出处： 国际电子变压器2004年9月刊
文章作者： 刘波
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