磁粉芯在EMI濾波器電路中的應(yīng)用解析

鐵鎳鉬合金MPP，高磁通鐵鎳50％HF合金和鐵硅鋁合金SUPERMSS等三種不同材料的磁粉芯已被廣泛地應(yīng)用在電源濾波電感之中。特別是在抑制和過(guò)濾差模傳導(dǎo)EMI的線(xiàn)路濾波（PowerLineFiltering）電路中，上述三種磁粉芯都有獨(dú)具特色的應(yīng)用。本文將從濾波電路簡(jiǎn)介開(kāi)始，再通過(guò)實(shí)例說(shuō)明使用多只電感器在濾波電路中的優(yōu)點(diǎn)。

除此之外，還將對(duì)上述三種不同磁粉芯材料所制作的電感器，在一定的工作頻率和不同電流下所產(chǎn)生的功率損耗和電感穩(wěn)定性做逐一對(duì)比。對(duì)應(yīng)不同的工作頻率，電感器可以得到不同的等效串聯(lián)電感，等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)阻抗，這些數(shù)值反映了繞線(xiàn)分布電容大小和磁粉芯中渦流損耗的大小。

圖1單級(jí)和雙級(jí)濾波器示意圖

（a）單級(jí)濾波器（15A）（b）雙級(jí)濾波器（15A）

單級(jí)與多級(jí)濾波器

在電力和電子功率變換系統(tǒng)中，濾波器均采用LC電路。這種濾波器一般為“低通濾波器”。濾波器設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，需要數(shù)學(xué)計(jì)算，計(jì)算機(jī)輔助工程和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合。

本文考慮兩種濾波器，如圖1所示，一種是單級(jí)（一只電感和一只電容組成），另一種是雙級(jí)（兩只電感和兩只電容）。接有濾波器的電路具有明顯的頻率響應(yīng)特性，但是由于負(fù)載和電源的阻尼作用，頻率響應(yīng)又是有限的。在實(shí)際應(yīng)用中，還要考慮電感器繞組電阻，磁粉芯損耗，電容器引線(xiàn)、電極和介質(zhì)損耗影響。更高頻率下的損耗構(gòu)成附加阻尼有利于濾波器穩(wěn)定運(yùn)行。而且寄生參數(shù)（如電容器引線(xiàn)電感和電感繞組的分布電容）都會(huì)對(duì)濾波器性能產(chǎn)生影響。寄生參數(shù)如圖2所示，RS為電感器的等效串聯(lián)電阻，RC為電容器的等效串聯(lián)電阻。

用幾種型號(hào)的美國(guó)阿諾公司SUPER－MSS鐵硅鋁磁粉芯制做單級(jí)濾波器和雙級(jí)濾波器，具體設(shè)計(jì)參數(shù)為：

圖2單級(jí)濾波器中考慮寄生參數(shù)的

電路圖和實(shí)驗(yàn)及源負(fù)載示意圖

圖3等效串聯(lián)電感和電阻與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)

圖4等效并聯(lián)電容和電阻與頻率之間的關(guān)系曲線(xiàn)

圖5增益和相位與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)（對(duì)單級(jí)濾波器）

圖6增益和相位與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)（對(duì)雙級(jí)濾波器電路）

圖7復(fù)合增益和相位與頻率關(guān)系曲線(xiàn)

（對(duì)單級(jí)和雙級(jí)濾波器）

（1）單級(jí)濾波器電感磁芯采用一只鐵硅鋁MS－130060－2型（磁導(dǎo)率為60），電感量為13.2μH，電感繞組導(dǎo)線(xiàn)采用3股18AWG線(xiàn)規(guī)漆包線(xiàn)，DC直流電阻值為4.5mΩ，電容器采用一只聚丙烯電容，電容量為15μF。

（2）雙級(jí)濾波器兩只電感分別采用兩只鐵硅鋁MS－106060－2型（磁導(dǎo)率為60），每只電感量為7.95μH，電感繞組導(dǎo)線(xiàn)也采用與單級(jí)濾波器相同的三股18AWG漆包線(xiàn)，圈數(shù)為10圈，電感總電阻為5.4mΩ，電容器分別采用兩只聚丙烯電容，電容量分別為15μF。由于每只電感所繞的圈數(shù)少，所以在同樣電流下所產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)強(qiáng)度要低14.5％。

對(duì)該二種濾波器的頻率響應(yīng)特性，用HP4194A阻抗/增益－相位分析儀進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)信號(hào)電壓0.5Vrms。結(jié)果如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示。

從圖3可以看到，兩種濾波電路（單級(jí)和雙級(jí)）的等效串聯(lián)電感量（Ls）和電阻值（Rs）隨頻率變化的曲線(xiàn)。電感量大的單級(jí)濾波器的自振頻率在26MHz，電感量小的雙級(jí)濾波器在40MHz以上時(shí)還具有電感特性?；蛘哒f(shuō)電感量小的雙級(jí)濾波器，其工作頻率范圍較寬。

圖4顯示了電容器有關(guān)數(shù)值與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)，即等效并聯(lián)電容（Cp）和等效并聯(lián)電阻（Rp）隨頻率變化的曲線(xiàn)。可以看到，電容器與其引線(xiàn)電感發(fā)生諧振的頻率大約在250kHz。

為了說(shuō)明多級(jí)濾波電路的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)把單級(jí)和雙級(jí)濾波器的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)分別示于圖5和圖6。測(cè)試條件使用了最偏離電源的電路工作參數(shù)，輸入源阻抗為50Ω，負(fù)載阻抗也是50Ω。在典型的電路中，阻抗值是變化的，并不總是匹配的，尤其在低頻下，阻抗值會(huì)非常低。雖然實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際應(yīng)用的電路條件不一樣，但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用來(lái)對(duì)單級(jí)濾波器和雙級(jí)濾波器做對(duì)比，可以得到許多有用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

例如：對(duì)于每種濾波器而言，衰減量達(dá)到最大（增益達(dá)到最小值）的原因都是由于電容器與其引線(xiàn)電感發(fā)生諧振所造成的。對(duì)于單級(jí)濾波器，這一點(diǎn)發(fā)生在175kHz。所以盡量縮短電容器引線(xiàn)長(zhǎng)度的重要性是非常明顯的。隨著頻率從175kHz增加，衰減又開(kāi)始減少（增益增加），這是因?yàn)橐€(xiàn)電感阻礙了每只電容器返回電流的流動(dòng)。

另一個(gè)重要的結(jié)果是，雙級(jí)濾波器在20kHz頻率點(diǎn)下，具有最低的衰減（最高的增益）。從理論計(jì)算，雙級(jí)濾波器應(yīng)該視同于2個(gè)單級(jí)濾波器在14.6kHz頻率點(diǎn)上的效果，但是由于電容C1，電感L2和電容C3的阻尼效果，所以頻率點(diǎn)變到了20kHz。在20kHz頻率點(diǎn)，產(chǎn)生了大約30dB的衰減。超過(guò)這個(gè)頻率點(diǎn)之后，雙級(jí)濾波器的增益衰減在60kHz，比單級(jí)濾波器還要低20dB。

最后還可以注意到，雙級(jí)濾波器在300kHz到1MHz范圍內(nèi)，增益衰減都比單段濾波器大10dB。附加電感和電容減少了電容引線(xiàn)的電感效果。在美國(guó)，因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)電調(diào)幅AM波段是在540kHz到1.6MHz之間，這樣對(duì)于改善此波段內(nèi)的濾波器性能，非常有利。

上述濾波器測(cè)試條件為，將電容器側(cè)作為輸入或參考通道，將電感器側(cè)作為測(cè)試通道。通過(guò)觀察可以看到，頻率響應(yīng)特性在上述測(cè)試連接方式和采用電感器側(cè)連接到參考通道，將電容器連接到測(cè)試通道的結(jié)果是相似的。因此，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果也適用于電感器輸入型電路。

電源濾波器

濾波器通常用于電路或一部分電路以防止電磁干擾（EMI）。不設(shè)濾波器則無(wú)用的電信號(hào)將會(huì)沿著電源線(xiàn)或共用母線(xiàn)傳導(dǎo)引起EMI，而傳導(dǎo)干擾也能繼發(fā)射頻干擾（RFI），這是因?yàn)殡娫淳€(xiàn)對(duì)于高頻則是一天線(xiàn)。濾波器的作用就是防止在供電的同時(shí)將電噪聲傳導(dǎo)到電力線(xiàn)上。

對(duì)于那些連接到公用電上的電子、電器設(shè)備而言，各國(guó)政府機(jī)構(gòu)都對(duì)特定的頻率范圍內(nèi)所允許的最大傳導(dǎo)噪聲電壓有具體的規(guī)定。比如，美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）就規(guī)定，在450kHz到30MHz頻段內(nèi)的無(wú)線(xiàn)電射頻干擾，應(yīng)限制在48dBμV（250μV）以下。這種規(guī)定的目的就是要防止射頻干擾對(duì)公共電子設(shè)施，如無(wú)線(xiàn)電、電視機(jī)、電話(huà)機(jī)等的干擾。

在電子系統(tǒng)中對(duì)電源輸出端噪聲的限制，要由其負(fù)載的需要決定。在大多數(shù)情況下，噪聲的濾除是由前述的濾波元件（電感器和電容器）來(lái)完成的，由它們抑制輸出電壓的脈動(dòng)。為了抑制電源輸出端的EMI，有時(shí)設(shè)計(jì)二級(jí)濾波。

在含有開(kāi)關(guān)器件的設(shè)備中，比如開(kāi)關(guān)電源的功率晶體管和二極管，都需要在電源輸入端加裝EMI濾波器。在電路中電流的突然變化會(huì)導(dǎo)致電壓的短暫升高（或稱(chēng)電壓尖峰），這個(gè)電壓尖峰既施加在輸入導(dǎo)體之間，也施加在導(dǎo)體與地線(xiàn)之間。

在輸入導(dǎo)線(xiàn)之間的EMI電壓稱(chēng)之為差模噪聲。導(dǎo)線(xiàn)對(duì)接地端的噪聲稱(chēng)之為共模噪聲。對(duì)于抑制共模噪聲的電感器，需要在一個(gè)磁芯上繞制兩組電流方向相反的導(dǎo)線(xiàn)，并使用高磁導(dǎo)率的磁芯。

相反，對(duì)于抑制差模噪聲的電感器，則要求磁芯材料在偏磁場(chǎng)下仍然能夠保持磁導(dǎo)率指標(biāo)。圖8中，標(biāo)出了流經(jīng)電感器的電流I，電壓V和磁芯中的磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線(xiàn)，并且畫(huà)出了差模濾波器和共模濾波器在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用線(xiàn)路圖。在輸入端，可以是交流輸入（如市電），也可以是電池供電（如48V，用于電信設(shè)備中）。當(dāng)電池供電時(shí)，磁化電流是恒定的直流電。對(duì)于高功率因數(shù)的交流電系統(tǒng)，磁化電流接近正弦波波形。而低功率因數(shù)的交流電系統(tǒng)，其磁化電流則由一系列的交變脈沖疊加組成。

三種磁粉芯材料（鐵鎳鉬MPP，鐵鎳HF和鐵硅鋁SUPERMSS）最適合用于差模濾波器中的電感（有時(shí)這種電感也稱(chēng)之為“串模電感”或“扼流圈”）。原因是這三種磁粉芯材料在偏磁場(chǎng)下具有極好的電感量保持能力。鐵鎳50％HF高磁通磁粉芯（美國(guó)阿諾公司注冊(cè)商標(biāo)Hi－FluxTM），特別適合用于高磁通密度工作條件。為了便于比較，圖9標(biāo)明了三種不同材料磁粉芯在直流偏磁場(chǎng)下的磁導(dǎo)率變化曲線(xiàn)。

圖8典型的EMI濾波器電路配置

和差模電感器上的電壓，電流以及磁滯回線(xiàn)

（a）電路（b）磁滯回線(xiàn)（c）電感器上電壓、電流

圖9磁導(dǎo)率與DC直流偏磁關(guān)系曲線(xiàn)

圖10磁芯損耗與磁通密度關(guān)系曲線(xiàn)

圖9中的曲線(xiàn)是對(duì)三種不同材料的磁粉芯，在相同尺寸，相同磁導(dǎo)率，單級(jí)濾波器電路中測(cè)試得到的數(shù)據(jù)而繪出的。磁芯分別為鐵鎳鉬MPP磁粉芯（A－291061－2）；鐵鎳50％HF合金（HF－130060－2）；和鐵硅鋁SUPERMSS合金（MS－130060－2），尺寸均為外徑33.02mm×內(nèi)徑19.94mm×高度10.67mm，磁導(dǎo)率相同（60）。由圖9可知三種材料的磁導(dǎo)率隨直流偏磁的增大而減小。

所謂“完全繞線(xiàn)磁芯”，指繞線(xiàn)后的磁芯，漆包線(xiàn)繞線(xiàn)厚度正好達(dá)到磁芯原來(lái)內(nèi)徑的一半位置。通常，在生產(chǎn)工藝中，需要考慮使繞線(xiàn)機(jī)上的線(xiàn)鉤或線(xiàn)梭在繞制最后一圈漆包線(xiàn)時(shí)，還可以有足夠的空間。在本實(shí)例中，電感量為1.9mH，這個(gè)電感量數(shù)值是典型的線(xiàn)路濾波所需要的電感量。一般而言，濾波電感的電感量選擇范圍在幾個(gè)μH到幾個(gè)mH之間。

在工頻下，要求磁芯損耗低，以便充分發(fā)揮磁芯材料的高飽和磁通密度性能。圖10是對(duì)高磁通鐵鎳50HF磁粉芯測(cè)試結(jié)果而繪制的曲線(xiàn)。由于高磁通鐵鎳50HF磁粉芯有高的損耗，所以可以用在工作條件最?lèi)毫拥那闆r。在400Hz，9000Gs磁通密度下，它的磁芯損耗為200mW/cm3。在50Hz或60Hz下工作，磁通密度的使用上限要根據(jù)磁芯磁導(dǎo)率變化的大小確定，具體可參見(jiàn)圖11。

另外一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的因素是，電感量會(huì)隨頻率變化而變化。圖12，圖13和圖14所示的是，三種不同磁粉芯材料（MPP，HF和SUPERMSS）繞制的電感器（采用單層繞線(xiàn)，電感量為60μH），它們各自的等效電感、等效串聯(lián)電阻、等效阻抗與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)。

從圖12可看到，高磁通鐵鎳HF磁粉芯的等效串聯(lián)電感值隨頻率增加而跌落，這是由于其磁導(dǎo)率下

該傳感器的優(yōu)勢(shì)是內(nèi)部數(shù)字信號(hào)處理器，它提高了傳感器的精度并且減少了模擬零漂、溫度偏移和機(jī)械壓力對(duì)數(shù)學(xué)運(yùn)算的影響。另外，該傳感器具有eeprom存儲(chǔ)器和對(duì)其編程所用的串行通信接口。這樣，不需改變pcb上的電阻就可以進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)已經(jīng)安裝的傳感器，不需拆卸即可修改其參數(shù)。

對(duì)新傳感器優(yōu)化的最后一步是減小pcb板的尺寸。為此采用了4層的pcb板。與2層pcb板相比，4層pcb價(jià)格略高，但在emc兼容方面有很大優(yōu)勢(shì)，因此不再需要昂貴的傳感器屏蔽盒。所以，總的說(shuō)來(lái)4層pcb板更經(jīng)濟(jì)。

圖9是新傳感器的功能圖。原來(lái)的5個(gè)運(yùn)算放大器中有3個(gè)可以省去，而性能仍與之前相同。省去的器件使pcb板的尺寸進(jìn)一步減小，只有原來(lái)的40%。圖10是兩個(gè)傳感器的比較。

圖11磁通密度與磁導(dǎo)率的關(guān)系曲線(xiàn)

圖12等效串聯(lián)電感和頻率的關(guān)系曲線(xiàn)（單層繞線(xiàn)條件下）

圖13等效串聯(lián)電阻與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)（單層繞線(xiàn)條件下）

圖14阻抗與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)（單層繞線(xiàn)條件下）

圖15等效串聯(lián)電感/電阻和頻率的關(guān)系曲線(xiàn)（100kHz1MHz）

圖16阻抗與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)（100kHz1MHz）

圖17單層和完全繞線(xiàn)設(shè)計(jì)情況下等效串聯(lián)

圖18單層和完全繞線(xiàn)設(shè)計(jì)情況下阻抗與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)

降所致，其根本原因在于頻率增高后渦流損耗隨之增大所造成的。正如前所述，在高頻下的損耗對(duì)濾波器來(lái)說(shuō)是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)檫@個(gè)損耗對(duì)阻尼衰減提供了附加的穩(wěn)定因素。圖15是對(duì)圖12和圖13、圖16是對(duì)圖14在100kHz到1MHz范圍內(nèi)的曲線(xiàn)進(jìn)行的局部放大圖，以便更清楚地看到三種磁粉芯的串聯(lián)等效電感和等效電阻及等效阻抗隨頻率變化的趨勢(shì)?？梢院苊黠@地看到，鐵硅鋁SUPERMSS在高頻下的渦流損耗是最低的，所以它的電感量（磁導(dǎo)率）和電阻都是變化最小的或基本不變的。

最后，看一下電感器的分布電容（對(duì)單層和多層繞線(xiàn)做比較）與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖17和圖18。從圖中看到，超過(guò)1.6MHz之后，這個(gè)雜散電容確實(shí)使成本高的多層電感器的阻抗比成本較低的單層電感器的阻抗要低。

結(jié)語(yǔ)

三種磁粉芯材料都非常適合用于電源濾波。高磁通鐵鎳50％HF磁粉芯的性能最好，因?yàn)樗诟唢柡痛磐芏认戮哂斜３蛛姼辛康哪芰Γ瑫r(shí)它還提供在高頻下所需要的阻尼衰減功能。

另外一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的因素是，由于磁性材料本身所具有的磁致伸縮所產(chǎn)生的音頻噪聲。而高磁通HF鐵鎳50％磁粉芯在50Hz或60Hz下，會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲（嗡嗡聲）。當(dāng)然，直流磁化電流不會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲，所以它最適合用作電池供電的電源系統(tǒng)中輸入濾波電感。

鐵鎳鉬MPP磁粉芯和鐵硅鋁SUPERMSS磁粉芯都具有特別低的磁致伸縮系數(shù)，它們都不會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲。鐵鎳鉬MPP磁粉芯在直流偏磁場(chǎng)下的磁導(dǎo)率變化量最小，這是它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。由于50Hz或60Hz交流電與音頻頻率相比幾乎可以認(rèn)為是近似直流，所以可以用在直流偏磁下三種磁粉芯磁導(dǎo)率變化曲線(xiàn)，來(lái)推測(cè)50Hz或60Hz電流偏磁場(chǎng)下的磁導(dǎo)率變化趨勢(shì)。鐵硅鋁SUPERMSS磁粉芯的單位體積制造成本（價(jià)格）最低，最適合用于一般電源濾波電感，具有很高的性能價(jià)格比。而鐵鎳鉬MPP和高磁通鐵鎳50％HF磁粉芯的價(jià)格水平差不多，鐵鎳鉬MPP磁粉芯最高。
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