濾波電感在電源抗干擾中的應(yīng)用分析

有金屬磁性材料好。當(dāng)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(yīng)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(fù)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(dāng)然不能用高磁導(dǎo)率的材料。為了適應(yīng)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(dǎo)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(dāng)?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(dǎo)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(fù)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(dāng)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 。 可 見 不 同 性 能 的 材 料 對 干 擾 信 號 的 吸 收 頻 段 也 不 一 樣 。 國 內(nèi) 外 大 量 使 用 的 電 子 調(diào) 光 設(shè) 備 大 都 采 用 移 相 式 晶 閘 管 調(diào) 光 。 在 晶 閘 管 導(dǎo) 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(yán) 重 影 響 音 響 設(shè) 備 、 燈 具 、 攝 錄 像 等 設(shè) 備 ， 還 嚴(yán) 重 干 擾 電 網(wǎng) 系 統(tǒng) 。 必 須 安 裝 抗 干 擾 電 感 （ 美 國 Lee ColorTran,英 國 Lank,日 本 龍 田 社 RDS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 。

表3不同磁性材料的磁性能及電流上升波形對比

在調(diào)光燈的工業(yè)檢測中抑制干擾的效果可以用電子調(diào)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(dǎo)率只有70。開口非晶帶磁芯雖然磁導(dǎo)率最高（μe=800），但電流上升時間太短,只有100μs，而又有嚴(yán)重的機械噪聲。這說明加電感后抗干擾能力并不是磁導(dǎo)率高的好，也不是磁導(dǎo)率低的好，而與選用的磁性材料材質(zhì)有關(guān)。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(diào)光設(shè)備無線電干擾允許值及測量方法”測量結(jié)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

f/MHz

圖5調(diào)光裝置設(shè)備抗干擾曲線

A級標(biāo)準(zhǔn)以下，而英國Lank電感在0.16MHz～3.5MHz頻段超標(biāo)，而開口硅鋼片制作的抗干擾電感在頻段0.01MHz－1.2MHz都超標(biāo)。用開口磁芯做抗干擾電感不可能達標(biāo)。目前國內(nèi)的調(diào)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(dāng)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(dāng)?shù)拇挪模€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

圖6 100A濾波器抗干擾曲線

當(dāng)前電子線路向高速數(shù)字電路轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)移，又進一步降低干擾。同時為了提高其動態(tài)響應(yīng)，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(fù)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(guān)電源?？梢?，片式磁性器件是微型化的關(guān)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(jì)磁性元件的發(fā)展方向。