基于磁性材料的EMI濾波器

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(duì)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(duì)于干擾信號(hào)而言，共模磁芯一般工作在低磁場(chǎng)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(duì)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(shì)。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(guó)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(guó)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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?？垢蓴_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(chǎng)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(guó)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(yǔ)

對(duì)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(duì)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。