電源抗干擾中濾波電感的應用

EMI濾波器可分為共?？垢蓴_濾波器和差?？垢蓴_濾波器。因此對濾波電感的磁性能要求完全不同?，F(xiàn)簡述如下:

（1）共模濾波電感材料的選擇共模電感線圈如圖1中Lc1Lc2是繞在磁環(huán)上的兩只獨立的線圈，所繞圈數(shù)相同，繞向相反。使EMI濾波器接入電路后，兩只線圈產(chǎn)生的磁通在磁芯中相互抵消，不會使磁芯飽和。由于干擾信號比較弱，所以磁芯一般工作在低磁場的區(qū)域，選用磁性材料要求具有較高的初始磁導率μ0的材料做共模濾波電感。但也不是初始磁導率愈高愈好，還要考慮磁性材料在電路中的電特性。為了說明，下面選擇不同類型高μ0的軟磁材料在同樣條件下測其頻率與阻抗關系曲線，反映出電感磁芯的插入損耗變化趨勢，其性能如表2及圖3所示。

曲線IV是外國專門用于抗共模干擾用的電感磁芯（Mn－Zn鐵氧體），與國產(chǎn)鐵氧體相比較，在低頻段100Hz～10000Hz，由于材料本身電阻率高，交流等效電阻小，說明在這個頻段干擾信號損耗很小，電流中主要以感抗起主要作用，可見鐵氧體材料對低頻干擾信號沒有一點抑制作用，而超微晶和1J851材料由于材料電阻率比較低，隨頻率的增加損耗也增加，可以看出磁芯渦流損耗引起的等效電阻R比鐵氧體大得多。在10kHz～100kHz的頻段R不斷增加，對該頻段的干擾信號的抑制也不斷增強，其中1J851和超微晶材料對干擾信號抑制衰減最大而鐵氧體則很小。這對于線性濾波器來說，工作頻率在 50Hz～60Hz或400Hz～800Hz的電源要消除或衰減頻率小于10kHz的干擾信號，最好選用金屬磁性材料（或非晶超微晶)。而鐵氧體在這個頻段對干擾信號的吸收顯然沒有金屬磁性材料好。當在頻段100kHz～1MHz附近，鐵氧體材料R急增而金屬磁性材料和超微晶仍然平穩(wěn)上升，在1MHz時進口鐵氧體達到峰值，R最大，1J851次之。而國產(chǎn)鐵氧體居第3位超微晶其峰值則在7MHz附近，變化卻比較平緩。從曲線變化可以看出鐵氧體雖然吸收的峰值在1MHz附近，但吸收區(qū)比較狹窄，而金屬磁性材料吸收區(qū)比較寬，故不同材料對不同頻率的吸收敏感性不一樣。所以制造共模濾波器時選用的電感材料一定要根據(jù)電路要求的抑制頻段范圍來選擇電感材料，這是非常重要的。同時從表2與圖3曲線對比說明并不是電感量越高越好，而應考慮它的電參數(shù)，更不能用增加線圈匝數(shù)來增加電感。因為這樣會增加高頻寄生電容。

（2）差模濾波電感材料的選擇與共模濾波電感完全不同，因為電感與負載是串聯(lián)，輸入電流或輸出電流直接通過電感磁芯，其交流（直流）電流很大，當然不能用高磁導率的材料。為了適應差?？垢蓴_濾波器的電感磁芯的需要，最初采用鐵氧體或金屬磁性材料開氣隙增加退磁場方法，降低磁導率，增加磁芯抗飽和能力。但這對用于電源輸入端的交變電流抗干擾濾波顯然是很不恰當?shù)?。不僅在開氣隙處有很強的交變漏磁場引起的很大輻射干擾外，還在氣隙斷口處產(chǎn)生局部的損耗而發(fā)熱，導致鐵氧體磁性惡化甚至消失。因為鐵氧體居里溫度為200℃，在此溫度附近μ0降低至零，此時已失去濾波作用。再者由于磁致伸縮在氣隙處產(chǎn)生新的機械噪聲，污染環(huán)境。為此人們采用新穎的復合磁粉芯。這是目前最理想的濾波電感材料，它是將金屬軟磁粉末經(jīng)絕緣包裹壓制退火而成，它相當于把一集中的氣隙分散成微小孔穴均勻分布在磁芯中，不但材料的抗飽和強度增加，而且磁芯的電阻率比原來增加幾個數(shù)量級且各向同性，改變了金屬磁性材料不能在高頻下使用的缺點。這就是在國外所有差模濾波電感都是用磁粉芯，而不用開口鐵氧體磁芯的原因。

這里選取各種性能的磁粉芯測量頻率－阻抗變化曲線（見圖4）。

圖中的變化曲線表現(xiàn)出不同磁性能的電感，其阻抗與頻率變化并不一樣。鐵粉芯SF70和55930在干擾頻率2kHz時阻抗基本不變，表示沒有吸收作用，而SF30在小于60kHz時對信號也沒有吸收作用。在2MHz附近吸收迅速增強，在接近10MHz時吸收最強，而SF70在100kHz以后變化不大?？梢姴煌阅艿牟牧蠈Ω蓴_信號的吸收頻段也不一樣。國內(nèi)外大量使用的電子調光設備大都采用移相式晶閘管調光。在晶閘管導通瞬間因電流突變會產(chǎn)生大量的高頻諧波而引起的電磁干擾，不單嚴重影響音響設備、燈具、攝錄像等設備，還嚴重干擾電網(wǎng)系統(tǒng)。必須安裝抗干擾電感（美國LeeColorTran英國 Lank日本龍?zhí)锷鏡DS都采用這樣方式來抑制干擾）。為方便起見，采用分析電流上升時間tr來判斷電感磁芯的抗干擾程度。不同材料的數(shù)據(jù)如表3所示。

在調光燈的工業(yè)檢測中抑制干擾的效果可以用電子調光器開通時的電流上升時間tr來表示。上升時間越長說明電路高次諧波成分越小，抑制效果越好。從表中不難看出國產(chǎn)ZW－1電感tr時間可高達450μs而磁導率只有70。開口非晶帶磁芯雖然磁導率最高（μe=800），但電流上升時間太短只有100μs，而又有嚴重的機械噪聲。這說明加電感后抗干擾能力并不是磁導率高的好，也不是磁導率低的好，而與選用的磁性材料材質有關。為了進一步分析，對不同材料在同樣條件下測量其干擾電壓，圖5是英國Lank，國產(chǎn)ZW－1磁粉芯和通常開口磁芯的電源端干擾電壓與頻率曲線。

按照“電子調光設備無線電干擾允許值及測量方法”測量結果，不難看出國產(chǎn)ZW－1電感與英國Lank電感相比較，國產(chǎn)ZW－1電感抗干擾電平都在A級標準以下，而英國Lank電感在0.16MHz～3.5MHz頻段超標，而開口硅鋼片制作的抗干擾電感在頻段0.01MHz－1.2MHz都超標。用開口磁芯做抗干擾電感不可能達標。目前國內(nèi)的調光燈大多數(shù)都用鐵氧體磁環(huán)做抗干擾電感，這顯然是錯誤的。不但沒有抑制干擾反而增加干擾，因為鐵氧體總是工作在飽和區(qū)。

圖6是程控交換機用的100A抗干擾濾波器衰減曲線?？垢蓴_衰減曲線I是進口同類濾波器，其干擾電平曲線在0.01MHz～100MHz范圍內(nèi)干擾電平的衰減比較均勻平緩。曲線II用開口鐵氧體做濾波器，當頻率為0.4MHz～0.8MHz時的峰值說明對該頻段的干擾信號衰減小，達不到要求。后來用美國 Micrometals公司鐵粉芯代替，則在0.2MHz～0.45MHz 頻段抗干擾能力弱（如曲線III）但要比開口鐵氧體好些，仍不理想。因為對通訊電源最傷腦筋的是低頻干擾。后來用專門研制的磁粉芯做成的濾波器干擾電平如曲線IV，要比曲線II、III都好，甚至優(yōu)于國外同類濾波器性能。從以上的例子可以看出在研制EMI濾波器時要特別注意濾波電感選擇。不但要選用適當?shù)拇挪?，還要選用適合于所需衰減頻段的磁性能。所以磁性材料的選取在EMI濾波器中有著舉足輕重的作用。

4 抗干擾濾波器的發(fā)展趨勢

當前電子線路向高速數(shù)字電路轉移。高組裝密度和高運算速度對EMC提出更高的要求。電子產(chǎn)品的微型化、多功能、移動化的發(fā)展又促使電子產(chǎn)品在組裝方式上向表面貼裝技術轉移，又進一步降低干擾。同時為了提高其動態(tài)響應，降低干擾，必須力求減小供電母線的引線電感。最有效的方法是將電源直接裝在負載附近，用分散供電方式（即小功率源)而不采用集中供電的形式（大功率源），這樣大大減少引線的長度有效降低輻射干擾。所以今后幾年美國將大力發(fā)展小功率 16W～25W低壓（輸出電壓最低為1.2V）DC/DC開關電源?？梢?，片式磁性器件是微型化的關鍵材料之一，它可分為線繞型片式電感、疊層型片式電感、薄膜型片式電感。為此上海鋼鐵研究所已開始著手金屬薄膜電感和薄膜變壓器元件的研制。目前美國和日本的一些重要研究所都開始研究薄膜電感和薄膜變壓器，并與集成元件組合制成新穎的超小型、高可靠性、高抗干擾能力的電源模塊。由此可見超小型電感和變壓器將是21世紀磁性元件的發(fā)展方向。