元器件：磁珠在開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

EMC問題已經(jīng)成為當(dāng)今電子設(shè)計(jì)制造中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。實(shí)際應(yīng)用中的EMC問題十分復(fù)雜，絕不是依靠理論知識(shí)就能夠解決的，它更依賴于廣大電子工程師的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。為了更好地解決電子產(chǎn)品的EMC性這一問題，主要要考慮接地、電路與PCB板設(shè)計(jì)、電纜設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)等問題。

本文通過介紹磁珠的基本原理和特性來說明它在開關(guān)電源EMC方面的重要性，以求為開關(guān)電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)提供更多、更好的選擇。

鐵氧體電磁干擾抑制元件

鐵氧體是一種立方晶格結(jié)構(gòu)的亞鐵磁性材料。它的制造工藝和機(jī)械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色。電磁干擾濾波器中經(jīng)常使用的一類磁芯就是鐵氧體材料，許多廠商都提供專門用于電磁干擾抑制的鐵氧體材料。這種材料的特點(diǎn)是高頻損耗非常大。對(duì)于抑制電磁干擾用的鐵氧體，最重要的性能參數(shù)為磁導(dǎo)率μ和飽和磁通密度Bs。磁導(dǎo)率μ可以表示為復(fù)數(shù)，實(shí)數(shù)部分構(gòu)成電感，虛數(shù)部分代表?yè)p耗，隨著頻率的增加而增加。因此，它的等效電路為由電感L和電阻R組成的串聯(lián)電路，L和R都是頻率的函數(shù)。當(dāng)導(dǎo)線穿過這種鐵氧體磁芯時(shí)，所構(gòu)成的電感阻抗在形式上是隨著頻率的升高而增加，但是在不同頻率時(shí)其機(jī)理是完全不同的。

在低頻段，阻抗由電感的感抗構(gòu)成，低頻時(shí)R很小，磁芯的磁導(dǎo)率較高，因此電感量較大，L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制；并且這時(shí)磁芯的損耗較小，整個(gè)器件是一個(gè)低損耗、高Q特性的電感，這種電感容易造成諧振因此在低頻段，有時(shí)可能出現(xiàn)使用鐵氧體磁珠后干擾增強(qiáng)的現(xiàn)象。

在高頻段，阻抗由電阻成分構(gòu)成，隨著頻率升高，磁芯的磁導(dǎo)率降低，導(dǎo)致電感的電感量減小，感抗成分減小但是，這時(shí)磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導(dǎo)致總的阻抗增加，當(dāng)高頻信號(hào)通過鐵氧體時(shí)，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能的形式耗散掉。

鐵氧體抑制元件廣泛應(yīng)用于印制電路板、電源線和數(shù)據(jù)線上。如在印制板的電源線入口端加上鐵氧體抑制元件，就可以濾除高頻干擾。鐵氧體磁環(huán)或磁珠專用于抑制信號(hào)線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾，它也具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。

磁珠的原理和特性

當(dāng)電流流過其中心孔中的導(dǎo)線時(shí)，便會(huì)是磁珠內(nèi)部產(chǎn)生循環(huán)流動(dòng)的磁道。用于EMI控制的鐵氧體配制時(shí)，應(yīng)當(dāng)可以把大部分磁通作為材料中的熱散掉。這個(gè)現(xiàn)象可以由一個(gè)電感器和一個(gè)電阻器的串聯(lián)組合來模擬。如圖2所示

兩個(gè)元件的數(shù)值大小與磁珠的長(zhǎng)度成正比，而且磁珠的長(zhǎng)度對(duì)抑制效果有明顯影響，磁珠長(zhǎng)度越長(zhǎng)抑制效果越好。由于信號(hào)能量呈磁耦合加到磁珠上，故電感器的電抗與電阻的大小隨頻率的升高而增大。磁耦合的效率取決于磁珠材料相對(duì)于空氣的導(dǎo)磁率。通常組成磁珠的鐵氧體材料的損耗可以通過其相對(duì)于空氣的導(dǎo)磁率，表示成一個(gè)復(fù)數(shù)量。

磁性材料常常用由此比值表征出損耗角。用于EMI抑制元件要求較大的損耗角，這意味著大部分干擾都將被耗散而不被反射。目前出現(xiàn)的各種各樣的可用鐵氧體材料，為設(shè)計(jì)人員將磁珠用于不同場(chǎng)合提供了很大的選擇余地。

尖峰抑制器

開關(guān)電源最大的缺點(diǎn)就是容易產(chǎn)生噪聲和干擾，這是長(zhǎng)期困擾開關(guān)電源的一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題。開關(guān)電源的噪聲主要是由開關(guān)功率管和開關(guān)整流二級(jí)管快速變化的高壓切換和脈沖短路電流所引起。因此采用有效元件把它們限制到最小程度是抑制噪聲的主要方法之一。通常采用非線性飽和電感來抑制反向恢復(fù)電流尖峰，此時(shí)鐵芯的工作狀態(tài)是從-Bs到+Bs。根據(jù)在開關(guān)電源續(xù)流二極管上的高磁導(dǎo)率與可飽和性的超小型電感元件—磁珠特性的一致性，開發(fā)出用來抑制開關(guān)電源開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的峰值電流的尖峰抑制器。

尖峰抑制器的性能特點(diǎn)：

（1）初始和最大電感值很高，飽和后殘余電感值非線性極不明顯。串聯(lián)接入回路后，電流升高瞬間顯示出高阻抗，可以作為所謂的瞬間阻抗元件使用。

（2）適用于防止半導(dǎo)體回路中瞬態(tài)電流峰值信號(hào)、沖擊激勵(lì)電路和由此而伴生的噪聲，還可以防止半導(dǎo)體損壞。

（3）剩余電感極小，電路穩(wěn)定時(shí)損耗很小。

（4）與鐵氧體制品的性能絕然不同。

（5）只要避免磁飽和，可作為超小型、高電感的電感元件使用。

（6）可以作為低損耗的高性能可飽和鐵芯用于控制和產(chǎn)生振蕩。