基于磁性材料的EMI濾波器設(shè)計(jì)

0 引言

開關(guān)電源一般都采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，其特點(diǎn)是頻率高，效率高，功率密度高，可靠性高。然而，由于其開關(guān)器件工作在高 頻通斷狀態(tài)，高頻的快速瞬變過程雖然能完成正常的能源傳遞，但卻是一種電磁騷擾源。它產(chǎn)生的EMI信號(hào)有很寬的頻率范圍，又有較高的幅度，因而會(huì)嚴(yán)重影響 其他電子設(shè)備的正常工作。

1 EMI濾波電路

開關(guān)電源的開關(guān)頻率及其諧波的主要表現(xiàn)是電源線上的干擾，稱之為傳導(dǎo)干擾。 傳導(dǎo)干擾分為共模干擾和差模干擾。共模干擾是由載流導(dǎo)體與大地之間的電位差產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是兩條線上的干擾信號(hào)電壓是同電位同相的；而差模干擾則是由載流 導(dǎo)體之間的電位差產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是兩條線上的干擾信號(hào)電位相同，但相位相反。事實(shí)上，針對不同的干擾信號(hào)，EMI濾波電路也分為抗共模干擾濾波電路和抗差 模干擾濾波電路，圖1所示是其濾波電路。



圖 l中，LC1、LC2、Cy1、Cy2構(gòu)成共模濾波電路。LC1和LC2為共模濾波電感，而Ld1、Ld2、Cx1、Cx2則可構(gòu)成差模濾波電路，Ld1 和Ld2為差模濾波電感。在這個(gè)濾波電路中，共模濾波電感和差模濾波電感起著舉足輕重的作用，其性能優(yōu)劣直接決定EMI濾波器的成敗，而共模濾波電感和差 模濾波電感的性能好壞主要是由磁芯的特性所決定，所以，分析EMI濾波器中所用的磁芯特性，其意義相當(dāng)重大。

一般而言，磁性材料根據(jù)其特 性及應(yīng)用可分為軟磁、硬磁、壓磁等，其中軟磁應(yīng)用最為廣泛，幾乎所有感性器件(電感、變壓器、傳感器等)都離不開軟磁材料，目前，濾波電感應(yīng)用最多的磁芯 也是軟磁材料。磁性材料的選擇除了要正確選擇其基本的磁參數(shù)(如Bs、μi、Tc)外，還要仔細(xì)選定它們的電特性(如電阻率、頻寬、阻抗等)。根據(jù)EMI 濾波器的特點(diǎn)，共模濾波電感和差模濾波電感的磁芯選擇應(yīng)遵守以下幾點(diǎn)：

第一、初始磁導(dǎo)率要高(μi>2000)；

第二、要有低矯頑磁力Hc，以減小磁滯損耗；

第三、電阻率ρ高，以減小高頻下的渦流損耗；

第四、ωc要高，適當(dāng)?shù)慕刂诡l率可以展寬頻段；

第五、Tc要高，以適應(yīng)各類工作環(huán)境；

第六、應(yīng)具有某一特定的損耗頻率響應(yīng)曲線，這樣，在需要衰減EMI信號(hào)的頻段內(nèi)其損耗較大，因而可以把EMI衰減到最低電平，而在需要傳輸信號(hào)的頻段內(nèi)損耗應(yīng)較小，這樣，信號(hào)容易通過。

2 共模電感磁芯

EMI 濾波器需要抑制的頻率范圍通常在10kHz～50 MHz之間。為了使共模濾波電路在此頻率范圍內(nèi)都能提供適當(dāng)?shù)乃p，磁芯在此頻率范圍內(nèi)的阻抗必須都要很高。共模磁芯的總阻抗(Zs)由串聯(lián)感性阻抗 (Xs)和串聯(lián)阻性阻抗(Rs)兩部分組成。在低頻部分，磁芯阻抗主要以感性阻抗為主，隨著頻率的增加，阻性阻抗逐步增加，漸漸起主要作用，圖2所示是頻 率與阻抗的關(guān)系曲線。圖中，兩種阻抗的結(jié)合，可使磁芯在此全頻范圍內(nèi)提供合適的總阻抗(Zs)。



共 模電感線圈如圖l中Lcl，Lc2是繞在一只磁芯上的兩組獨(dú)立的線圈，所繞圈數(shù)相同，繞向相反。這樣，當(dāng)EMI濾波器接入電路后，兩組線圈產(chǎn)生的磁通在磁 芯中將相互抵消，故不會(huì)使磁芯飽和。對于干擾信號(hào)而言，共模磁芯一般工作在低磁場區(qū)域，所以，共模濾波電感選用的磁性材料要求具有較高的初始磁導(dǎo)率μi。 如果只針對濾波器的插入損耗這一指標(biāo)，則初始磁導(dǎo)率μi越高，濾波電路呈現(xiàn)的感抗就越大，所得到的插入損耗指標(biāo)就越好。但在整個(gè)電路中，還要綜合考慮磁性 材料在電路中的其它特性，如頻率阻抗特性、居里溫度、磁材的形狀等等。μi值不同的各種磁性材料，在不同頻率下的阻抗特性也不一樣，故要根據(jù)所需要的頻率 范圍來選取合適μi值的磁性材料。圖3所示是不同類型的高μi軟磁材料在同樣條件下的頻率與阻抗關(guān)系曲線，該曲線反映出電感磁芯的插入損耗變化趨勢。其它 的性能參數(shù)(如電感值、體電阻等)如表1所列。



在 圖3中，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PC40)所呈現(xiàn)的阻抗特性，曲線Ⅲ是國產(chǎn)鐵氧體(R4 KB)的阻抗特性。在低頻段(100 Hz～10 kHz)，由于材料本身電阻率高，交流等效電阻小，電路中感抗起了主要作用，說明鐵氧體材料在這個(gè)頻段內(nèi)對干擾信號(hào)的抑制作用較小。超微晶(曲線Ⅱ)和金 屬磁性材料薄膜合金1J851(曲線I)材料由于材料本身的電阻率比較低，隨頻率增加時(shí)，其渦流損耗也增加，其等效阻抗Z比鐵氧體大得多。在10～100 kHz的頻段內(nèi)，四種材料的Z都在增加，只是鐵氧體材料的變化斜率要比超微晶(曲線Ⅱ)和金屬磁性材料薄膜合金1J851更陡，說明在這一頻段內(nèi)，它們對 干擾信號(hào)的抑制都在不斷地增強(qiáng)。

當(dāng)頻率在100 kHz～1 MHz頻段時(shí)，鐵氧體材料Z急增，而金屬磁性材料和超微晶仍然平穩(wěn)上升，在1 MHzl／寸，進(jìn)口鐵氧體達(dá)到峰值，Z最大，說明在這一頻段內(nèi)，鐵氧體材料對干擾噪聲的抑制效果最好。所以，制造共模濾波器時(shí)所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，這是非常重要的。同時(shí)，從表1與圖3所示曲線對比可以看出，并不是電感量越高越好，而應(yīng)考慮它的電參數(shù)，更不能簡單用增加 線圈匝數(shù)的方法來增加電感，因?yàn)檫@樣會(huì)增加高頻寄生電容。

目前，在大多數(shù)情況下，共模磁芯材料一般選擇使用鐵氧體。鐵氧體主要分為兩種： 鎳鋅鐵氧體和錳鋅鐵氧體。鎳鋅材料磁芯的特性是其初始磁導(dǎo)率較低，但是它能在很高的頻率時(shí)維持其磁導(dǎo)率不變。因?yàn)殒囦\材料磁芯的初始磁導(dǎo)率較低，所以，它 在低頻時(shí)不能產(chǎn)生足夠高的阻抗，故對低頻5 MHz時(shí)，干擾信號(hào)的抑制作用較小，因而主要使用在干擾信號(hào)在高頻(大于10 MHz)的濾波器中。錳鋅材料磁芯在低頻(50 MHz下，特別是10 MHz以下)時(shí)有很高的磁導(dǎo)率，有些磁芯的磁導(dǎo)率能超過5000，故適合使用在10 kHz～50 MHz的EMI濾波器中。當(dāng)系統(tǒng)中需要EMI濾波器抑制的干擾信號(hào)頻率在10 MHz以內(nèi)時(shí)，可選用的共模磁芯材料主要是錳鋅材料的鐵氧體磁芯。

3 差模電感磁芯

由 于EMI濾波器的輸出電流較大，如果使用太高磁導(dǎo)率的材料，將很容易導(dǎo)致磁飽和，所以，為了適應(yīng)差模抗干擾濾波器的電感磁芯需要，應(yīng)選用有較高飽和磁感應(yīng) 強(qiáng)度的磁芯。為提高差模電感的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，可以選用磁性材料本身就具有很高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁芯(如復(fù)合磁粉芯等)；也可以用在磁芯開氣隙的方法來降 低磁導(dǎo)率，以提高磁芯的抗飽和能力(如鐵氧體PC40磁芯等)。然而，在磁芯開氣隙處，除了有很強(qiáng)的交變漏磁場會(huì)引起新的輻射干擾外，由于磁致伸縮(磁致 伸縮效應(yīng)是指磁化使磁材料產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變的效應(yīng))，還會(huì)在氣隙處產(chǎn)生新的噪聲和環(huán)境污染，因此，在使用時(shí)要特別注意。

目前較為理想的差模濾 波電感材料是復(fù)合磁粉芯。它是將金屬軟磁粉末經(jīng)絕緣包裹壓制退火而成，相當(dāng)于把一集中的氣隙分散成微小孔穴均勻分布在磁芯中，這樣不但材料的抗飽和強(qiáng)度會(huì) 增加，而且磁芯的電阻率也會(huì)比原來增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)且各向同極性，因此也就改善了金屬磁性材料不能在高頻下使用的缺陷。這也是國外新型差模濾波電感都采用金 屬磁粉芯，而越來越少使用開口鐵氧體磁芯的原因。



圖 4所示是Magnetic公司的SF30與SF70金屬磁粉芯及55930鎳鐵磁粉芯的頻率一阻抗變化曲線。不同磁性能的磁芯，其阻抗與頻率變化是不一樣 的。由圖4可以看出，鐵磁粉芯SF70和鎳鐵磁粉芯55930在干擾頻率小于2 kHz時(shí)，其阻抗很小且基本不變，表示對這一頻段的干擾信號(hào)衰減很小。鐵磁粉芯SF30在小于60 kHz時(shí)，對干擾信號(hào)的衰減也很小，但到2 MHz附近的吸收則迅速增強(qiáng)，在接近10 MHz時(shí)吸收最強(qiáng)，而SF70在100kHz以后曲線的斜率變化不大。由此可見，不同性能的材料對干擾信號(hào)的吸收頻段也不一樣。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，必須根 據(jù)實(shí)際所需抑制的干擾信號(hào)頻段進(jìn)行磁芯材料的選擇。

4 磁性材料的溫度特性

選擇電感的磁芯材料不但要考慮其磁特性，還要 考慮其溫度特性，包括高低溫下的磁性變化和磁性材料的居里溫度特性。磁芯由鐵磁性(亞鐵磁性或反鐵磁性)轉(zhuǎn)變成順磁性的溫度稱為居里溫度。在圖5所示的 μ-T曲線上，80％μmax與20％μmax連線與μ=1的交叉點(diǎn)相對應(yīng)的溫度，即為居里溫度Tc。



由 于磁性材料到了居里溫度點(diǎn)后就失去磁性。因而此時(shí)將會(huì)對電路產(chǎn)生巨大的損害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電路，所以磁性材料的工作溫度必須在居里溫度之下。例如：在一些 產(chǎn)品中，其工作溫度為-55～+125℃。正常工作時(shí)，由于電路的損耗會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱，從而使磁芯內(nèi)部的溫度升高，此時(shí)磁芯的最高溫度將可能達(dá)到140℃，所 以，選擇的磁性材料的居里溫度必須高于這個(gè)溫度點(diǎn)，并要進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，以留有足夠的余量。通常而言，磁性材料的μi值越高，則居里溫度越低；反之μi越 低，居里溫度越高，所以，要綜合考慮μi值和居里溫度來選擇磁性材料。

中小功率的EMI濾波器產(chǎn)品中選用最多的磁芯材料是日本TDK公司 的PC40 (它是目前業(yè)界廣泛使用的較好的材料之一)，它的初始磁導(dǎo)μi隨溫度的變化曲線如圖6所示。從圖中可看出，溫度變化對μi的影響是很大的，磁芯溫度在 90～150℃的區(qū)間內(nèi)，有一段平坦區(qū)，這時(shí)它的μi大約在4100左右；當(dāng)溫度低于90℃后，μi值會(huì)隨著溫度的降低而逐漸減小，到0℃時(shí)，μi值只有 2000左右，進(jìn)到負(fù)溫區(qū)后，μi值還會(huì)進(jìn)一步減??；而當(dāng)溫度高于150℃后，μi值則會(huì)隨著溫度的升高而增加，當(dāng)達(dá)到240℃時(shí)，μ的最大值為5600 左右；從240℃開始，μi值又漸漸減小，當(dāng)溫度達(dá)到居里溫度點(diǎn)250℃時(shí)，材料失去磁性。



5 結(jié)束語

對 于許多類型的電子系統(tǒng)，EMI是個(gè)較為棘手的問題。隨著開關(guān)電源的不斷小型化和高頻化，相應(yīng)的EMI濾波器也在不斷改進(jìn)和發(fā)展，以適應(yīng)開關(guān)電源不斷發(fā)展的 需要。EMI濾波器的改進(jìn)和發(fā)展需要磁性材料的支撐，相信磁性材料的性能改進(jìn)，一定會(huì)對EMI濾波器乃至整機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較好的電磁兼容環(huán)境帶來更大的幫助。