新一代開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器的走勢(shì)

問(wèn)題的提出

90年代以來(lái)，隨著電子設(shè)備小型化和表面組裝技術(shù)的發(fā)展，電子元器件向小型化、片式化、復(fù)合化、多功能和高性能化發(fā)展，各種表面組裝元件已逐漸成為電子元件的主流產(chǎn)品。

以上半導(dǎo)體大規(guī)模集成造成的負(fù)面影響，特別是網(wǎng)絡(luò)化的迅速發(fā)展，直接導(dǎo)致了抗電磁干擾能力的迅速下降。據(jù)IBM公司的常規(guī)觀察統(tǒng)計(jì)表明：嚴(yán)重威脅電子、電氣設(shè)備安全可靠工作的起因中，88.5％是來(lái)自電源中的電壓瞬變和電磁脈沖。當(dāng)前EMI（電磁干擾）濾波器仍然是抑制電磁干擾的有效手段之一。因此，目前擺在傳統(tǒng)EMI濾波器面前的一個(gè)不可回避的問(wèn)題是如何適應(yīng)電子設(shè)備小型化的發(fā)展需求。

片式元件的發(fā)展近況和趨勢(shì)

目前國(guó)際上直流系列片式電容發(fā)展迅速，但適應(yīng)電源濾波的功率磁性元件受到了能量存儲(chǔ)容量的限制。設(shè)電感Ｌ在瞬變電流ｉ時(shí)所存儲(chǔ)的能量為ｗ，則有下式

若電感采用環(huán)形磁芯，電感量為：

式中：μ初始磁導(dǎo)率；Ｎ匝數(shù)；Ａ磁芯截面積；Ｄ磁環(huán)平均直徑。

磁芯內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度Ｈ為：

H=0.4Ni / D (3)

解方程求得所存儲(chǔ)能量Ｗ為：

由于：μ=B / H (5)

式中：Ｂ為磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度值

（４）或（６）式都表明磁芯材料的體積Ａ.Ｄ和初始磁導(dǎo)率μ決定了電感存儲(chǔ)能量的上限。換句話(huà)說(shuō)，功率轉(zhuǎn)換器電路對(duì)能量存儲(chǔ)的要求也就確定了功率磁性元件的最小尺寸。在同樣的磁場(chǎng)強(qiáng)度下同一磁芯通過(guò)的瞬變電流愈大所允許的電感值愈小。

片式電感的結(jié)構(gòu)有開(kāi)式和閉式兩種，見(jiàn)圖１。

圖中a）、b）、c）分別為環(huán)形磁芯、雙Ｅ形磁芯和罐形磁芯，它們的磁路是封閉的，所以是閉式磁芯（可減少EMI的產(chǎn)生）。d）為工字形磁芯，因磁路不封閉所以是開(kāi)式磁芯，它可能會(huì)與其它敏感元件耦合產(chǎn)生不良影響，但可以承受更大的電流。這是因?yàn)殚_(kāi)式磁芯磁導(dǎo)率很低，因此在存儲(chǔ)能量Ｗ相同的條件下，可承受更大的電流。例如日本W(wǎng)UMIDA公司開(kāi)式磁芯的體積長(zhǎng)×寬×高（約）為12×12×6ｍｍ，當(dāng)額定電流為10A時(shí)，其電感值為2.1μH；而雙Ｅ閉式磁芯，在相同額定電流10A時(shí)，其電感值為2.4μH（略大些），但體積長(zhǎng)×寬×高（約）為16.4×16.4×9.6，要較前者體積增大2.37倍（后者最大額定電流為20A時(shí)，電感值為１μH）。

為了降低高度（低造型）和增大載流容量，目前大電流片式電感繞組的導(dǎo)線由圓截面向扁平截面轉(zhuǎn)變（含印制板的電感）。上述12×12×6ｍｍ、10A、2.1μH電感就是采用約1.7×0.2ｍｍ扁銅條繞制的。

國(guó)家“九五”計(jì)劃和2010年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中新型元件列為電子工業(yè)發(fā)展重點(diǎn)之一，包括6個(gè)門(mén)類(lèi)的新型元器件中，表面貼裝元器件擺在首位。2000年電子信息產(chǎn)品對(duì)新型片式元件需求300億只（1999年電子信息產(chǎn)品對(duì)電感器、變壓器、磁性器件需求165億只）。這就是中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)新型片式元件的市場(chǎng)需求。

片式EMI濾波器的發(fā)展概況

國(guó)際片式EMI濾波器目前以信號(hào)濾波器為主，可運(yùn)用于電源的EMI濾波器較少，如TDK公司的ACH3218、ACH4518系列，采用鐵氧體磁珠和片式電容組成T型濾波電路。其中ACH3218體積L×W×H＝3.2×1.8×2.5mm，最大額定電壓20VDC、最大額定電流1.5A，25dB插入損耗的頻率范圍由11MHz－55MHz到600MHz－700MHz共18個(gè)品種。

新一代EMI波波器的設(shè)想

開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲中，在低頻段差模噪聲分量占主要成份，在高頻段共模噪聲分量占主要成份，因此采用共模和差模扼流圈是必要的，但如何減少它們的體積是令設(shè)計(jì)者最頭痛的事，最近日本村田公司開(kāi)發(fā)了PLY系列混合扼流圈，這種器件以一種十分巧妙的方式把共模和差模扼流圈緊湊地結(jié)合為一體，其中的PLY10系列分別有共模磁路和差模磁路，每個(gè)磁路有各自的鐵氧體磁芯，其最大安裝尺寸為L(zhǎng)×W×H＝18×16×17.5mm，額定電流范圍為0.5～2.0A，對(duì)100VDC的耐壓產(chǎn)品可承受40～150W 功率，對(duì)200VDC耐壓產(chǎn)品可承受75～300W功率，這樣寬的使用范圍使PLY10系列器件可與大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源設(shè)備兼容。

PLY系列的事例給大家一個(gè)啟示，開(kāi)關(guān)電源共、差模噪聲的有效抑制還得依靠專(zhuān)門(mén)的電感器件――共、差模扼流圈，由簡(jiǎn)單的片式（電容、電感）元件所組成的EMI濾波器是難以勝任抑制開(kāi)關(guān)電源所產(chǎn)生的共、差模噪聲的。

為此有效抑制開(kāi)關(guān)電源噪聲的新一代EMI濾波器應(yīng)該是由有效的共、差模扼流圈和若干電容組成的相關(guān)電路，為了減小體積，這些電感、電容元件應(yīng)盡可能采用片式元件。

另一可供借鑒的方法是為電源模塊專(zhuān)業(yè)廠商生產(chǎn)的系列電源模塊，通過(guò)MIL-STD-461的CEO3或其它規(guī)范研制專(zhuān)用的配套EMI濾波器。如美國(guó)Advanced Analog公司為AHE、ATO、ATW和AHF系列DC/DC電源模塊配套了AFC461系列EMI濾波器，其額定電壓28～40VDC，額定電流4A，100kHz－50MHz插入損耗40dB，工作溫度-55～155°Ｃ，最小尺寸L×W×H＝53.85×28.45×9.65mm 。類(lèi)似的還有美國(guó)的interpoint公司為MHE/MLP、MHL、MTO和MTW系列DC/DC電源模塊配套了FMH－461EMI濾波器，其插入損耗指標(biāo)強(qiáng)調(diào)500kHz處最少衰減50dB，200kHz處最少衰減35dB。

VICOR公司也為其新一代電源模塊配置MICRO封裝的輸入濾波模塊FILTMOD，以及MICRO封裝的輸入保護(hù)模塊LAM2，前者能有效地消除傳導(dǎo)干擾噪聲，后者能有效地限制浪涌電流和尖峰干擾，如圖2和圖3所示。

建議開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器的電路采用圖4所示的標(biāo)準(zhǔn)模式電路，它有利于發(fā)展成為標(biāo)準(zhǔn)模塊并最終集成。在實(shí)際運(yùn)用中如果一級(jí)濾波模塊抑制不夠，可以再串接第二級(jí)濾波模塊。

在國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品中，北京中北創(chuàng)新科技發(fā)展有限公司研制的實(shí)驗(yàn)樣品CX系列電路采用圖４標(biāo)準(zhǔn)模式，結(jié)構(gòu)采用扼流圈，體積L×W×H＝15×15×9.5mm，額定電壓50VDC，額定電流0.5～2A。

展望

為了適應(yīng)電子設(shè)備不斷小型發(fā)展的需要，以采用片式電容、電感為主的新一代EMI濾波器的出現(xiàn)和發(fā)展是歷史的必然。與標(biāo)準(zhǔn)模塊電源的發(fā)展歷史一樣，新一代EMI濾波器也應(yīng)該向標(biāo)準(zhǔn)模式電路的方向發(fā)展。由于目前直流系列片式電容發(fā)展迅速，所以新一代直流系列EMI濾波器的發(fā)展有可能成為現(xiàn)實(shí)。遺憾的是交流片式電容發(fā)展，目前僅有村田公司的CHM2143、GHM2145和GHM2243系列，它們的交流耐壓性能比傳統(tǒng)的聚脂薄膜電容差。因此新一代交流系列EMI濾波器還有待于交流片式電容的深入開(kāi)發(fā)和發(fā)展。