基于磁性材料的EMI濾波器改進(jìn)方案

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)。