基于磁性材料的EMI滤波器设计

0 引言

开关电源一般都采用脉冲宽度调制(PWM)技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。然而，由于其开关器件工作在高 频通断状态，高频的快速瞬变过程虽然能完成正常的能源传递，但却是一种电磁骚扰源。它产生的EMI信号有很宽的频率范围，又有较高的幅度，因而会严重影响 其他电子设备的正常工作。

1 EMI滤波电路

开关电源的开关频率及其谐波的主要表现是电源线上的干扰，称之为传导干扰。 传导干扰分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是由载流导体与大地之间的电位差产生的，其特点是两条线上的干扰信号电压是同电位同相的；而差模干扰则是由载流 导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的干扰信号电位相同，但相位相反。事实上，针对不同的干扰信号，EMI滤波电路也分为抗共模干扰滤波电路和抗差 模干扰滤波电路，图1所示是其滤波电路。



图 l中，LC1、LC2、Cy1、Cy2构成共模滤波电路。LC1和LC2为共模滤波电感，而Ld1、Ld2、Cx1、Cx2则可构成差模滤波电路，Ld1 和Ld2为差模滤波电感。在这个滤波电路中，共模滤波电感和差模滤波电感起着举足轻重的作用，其性能优劣直接决定EMI滤波器的成败，而共模滤波电感和差 模滤波电感的性能好坏主要是由磁芯的特性所决定，所以，分析EMI滤波器中所用的磁芯特性，其意义相当重大。

一般而言，磁性材料根据其特 性及应用可分为软磁、硬磁、压磁等，其中软磁应用最为广泛，几乎所有感性器件(电感、变压器、传感器等)都离不开软磁材料，目前，滤波电感应用最多的磁芯 也是软磁材料。磁性材料的选择除了要正确选择其基本的磁参数(如Bs、μi、Tc)外，还要仔细选定它们的电特性(如电阻率、频宽、阻抗等)。根据EMI 滤波器的特点，共模滤波电感和差模滤波电感的磁芯选择应遵守以下几点：

第一、初始磁导率要高(μi>2000)；

第二、要有低矫顽磁力Hc，以减小磁滞损耗；

第三、电阻率ρ高，以减小高频下的涡流损耗；

第四、ωc要高，适当的截止频率可以展宽频段；

第五、Tc要高，以适应各类工作环境；

第六、应具有某一特定的损耗频率响应曲线，这样，在需要衰减EMI信号的频段内其损耗较大，因而可以把EMI衰减到最低电平，而在需要传输信号的频段内损耗应较小，这样，信号容易通过。

2 共模电感磁芯

EMI 滤波器需要抑制的频率范围通常在10kHz～50 MHz之间。为了使共模滤波电路在此频率范围内都能提供适当的衰减，磁芯在此频率范围内的阻抗必须都要很高。共模磁芯的总阻抗(Zs)由串联感性阻抗 (Xs)和串联阻性阻抗(Rs)两部分组成。在低频部分，磁芯阻抗主要以感性阻抗为主，随着频率的增加，阻性阻抗逐步增加，渐渐起主要作用，图2所示是频 率与阻抗的关系曲线。图中，两种阻抗的结合，可使磁芯在此全频范围内提供合适的总阻抗(Zs)。



共 模电感线圈如图l中Lcl，Lc2是绕在一只磁芯上的两组独立的线圈，所绕圈数相同，绕向相反。这样，当EMI滤波器接入电路后，两组线圈产生的磁通在磁 芯中将相互抵消，故不会使磁芯饱和。对于干扰信号而言，共模磁芯一般工作在低磁场区域，所以，共模滤波电感选用的磁性材料要求具有较高的初始磁导率μi。 如果只针对滤波器的插入损耗这一指标，则初始磁导率μi越高，滤波电路呈现的感抗就越大，所得到的插入损耗指标就越好。但在整个电路中，还要综合考虑磁性 材料在电路中的其它特性，如频率阻抗特性、居里温度、磁材的形状等等。μi值不同的各种磁性材料，在不同频率下的阻抗特性也不一样，故要根据所需要的频率 范围来选取合适μi值的磁性材料。图3所示是不同类型的高μi软磁材料在同样条件下的频率与阻抗关系曲线，该曲线反映出电感磁芯的插入损耗变化趋势。其它 的性能参数(如电感值、体电阻等)如表1所列。



在 图3中，曲线IV是外国专门用于抗共模干扰用的电感磁芯(Mn-Zn铁氧体PC40)所呈现的阻抗特性，曲线Ⅲ是国产铁氧体(R4 KB)的阻抗特性。在低频段(100 Hz～10 kHz)，由于材料本身电阻率高，交流等效电阻小，电路中感抗起了主要作用，说明铁氧体材料在这个频段内对干扰信号的抑制作用较小。超微晶(曲线Ⅱ)和金 属磁性材料薄膜合金1J851(曲线I)材料由于材料本身的电阻率比较低，随频率增加时，其涡流损耗也增加，其等效阻抗Z比铁氧体大得多。在10～100 kHz的频段内，四种材料的Z都在增加，只是铁氧体材料的变化斜率要比超微晶(曲线Ⅱ)和金属磁性材料薄膜合金1J851更陡，说明在这一频段内，它们对 干扰信号的抑制都在不断地增强。

当频率在100 kHz～1 MHz频段时，铁氧体材料Z急增，而金属磁性材料和超微晶仍然平稳上升，在1 MHzl／寸，进口铁氧体达到峰值，Z最大，说明在这一频段内，铁氧体材料对干扰噪声的抑制效果最好。所以，制造共模滤波器时所选用的电感材料一定要根据 电路要求的抑制频段范围来选择，这是非常重要的。同时，从表1与图3所示曲线对比可以看出，并不是电感量越高越好，而应考虑它的电参数，更不能简单用增加 线圈匝数的方法来增加电感，因为这样会增加高频寄生电容。

目前，在大多数情况下，共模磁芯材料一般选择使用铁氧体。铁氧体主要分为两种： 镍锌铁氧体和锰锌铁氧体。镍锌材料磁芯的特性是其初始磁导率较低，但是它能在很高的频率时维持其磁导率不变。因为镍锌材料磁芯的初始磁导率较低，所以，它 在低频时不能产生足够高的阻抗，故对低频<5 MHz时，干扰信号的抑制作用较小，因而主要使用在干扰信号在高频(大于10 MHz)的滤波器中。锰锌材料磁芯在低频(50 MHz下，特别是10 MHz以下)时有很高的磁导率，有些磁芯的磁导率能超过5000，故适合使用在10 kHz～50 MHz的EMI滤波器中。当系统中需要EMI滤波器抑制的干扰信号频率在10 MHz以内时，可选用的共模磁芯材料主要是锰锌材料的铁氧体磁芯。

3 差模电感磁芯

由 于EMI滤波器的输出电流较大，如果使用太高磁导率的材料，将很容易导致磁饱和，所以，为了适应差模抗干扰滤波器的电感磁芯需要，应选用有较高饱和磁感应 强度的磁芯。为提高差模电感的饱和磁感应强度，可以选用磁性材料本身就具有很高饱和磁感应强度的磁芯(如复合磁粉芯等)；也可以用在磁芯开气隙的方法来降 低磁导率，以提高磁芯的抗饱和能力(如铁氧体PC40磁芯等)。然而，在磁芯开气隙处，除了有很强的交变漏磁场会引起新的辐射干扰外，由于磁致伸缩(磁致 伸缩效应是指磁化使磁材料产生机械应变的效应)，还会在气隙处产生新的噪声和环境污染，因此，在使用时要特别注意。

目前较为理想的差模滤 波电感材料是复合磁粉芯。它是将金属软磁粉末经绝缘包裹压制退火而成，相当于把一集中的气隙分散成微小孔穴均匀分布在磁芯中，这样不但材料的抗饱和强度会 增加，而且磁芯的电阻率也会比原来增加几个数量级且各向同极性，因此也就改善了金属磁性材料不能在高频下使用的缺陷。这也是国外新型差模滤波电感都采用金 属磁粉芯，而越来越少使用开口铁氧体磁芯的原因。



图 4所示是Magnetic公司的SF30与SF70金属磁粉芯及55930镍铁磁粉芯的频率一阻抗变化曲线。不同磁性能的磁芯，其阻抗与频率变化是不一样 的。由图4可以看出，铁磁粉芯SF70和镍铁磁粉芯55930在干扰频率小于2 kHz时，其阻抗很小且基本不变，表示对这一频段的干扰信号衰减很小。铁磁粉芯SF30在小于60 kHz时，对干扰信号的衰减也很小，但到2 MHz附近的吸收则迅速增强，在接近10 MHz时吸收最强，而SF70在100kHz以后曲线的斜率变化不大。由此可见，不同性能的材料对干扰信号的吸收频段也不一样。因此在实际设计中，必须根 据实际所需抑制的干扰信号频段进行磁芯材料的选择。

4 磁性材料的温度特性

选择电感的磁芯材料不但要考虑其磁特性，还要 考虑其温度特性，包括高低温下的磁性变化和磁性材料的居里温度特性。磁芯由铁磁性(亚铁磁性或反铁磁性)转变成顺磁性的温度称为居里温度。在图5所示的 μ-T曲线上，80％μmax与20％μmax连线与μ=1的交叉点相对应的温度，即为居里温度Tc。



由 于磁性材料到了居里温度点后就失去磁性。因而此时将会对电路产生巨大的损害，严重时会烧毁电路，所以磁性材料的工作温度必须在居里温度之下。例如：在一些 产品中，其工作温度为-55～+125℃。正常工作时，由于电路的损耗会导致发热，从而使磁芯内部的温度升高，此时磁芯的最高温度将可能达到140℃，所 以，选择的磁性材料的居里温度必须高于这个温度点，并要进行降额设计，以留有足够的余量。通常而言，磁性材料的μi值越高，则居里温度越低；反之μi越 低，居里温度越高，所以，要综合考虑μi值和居里温度来选择磁性材料。

中小功率的EMI滤波器产品中选用最多的磁芯材料是日本TDK公司 的PC40 (它是目前业界广泛使用的较好的材料之一)，它的初始磁导μi随温度的变化曲线如图6所示。从图中可看出，温度变化对μi的影响是很大的，磁芯温度在 90～150℃的区间内，有一段平坦区，这时它的μi大约在4100左右；当温度低于90℃后，μi值会随着温度的降低而逐渐减小，到0℃时，μi值只有 2000左右，进到负温区后，μi值还会进一步减小；而当温度高于150℃后，μi值则会随着温度的升高而增加，当达到240℃时，μ的最大值为5600 左右；从240℃开始，μi值又渐渐减小，当温度达到居里温度点250℃时，材料失去磁性。



5 结束语

对 于许多类型的电子系统，EMI是个较为棘手的问题。随着开关电源的不断小型化和高频化，相应的EMI滤波器也在不断改进和发展，以适应开关电源不断发展的 需要。EMI滤波器的改进和发展需要磁性材料的支撑，相信磁性材料的性能改进，一定会对EMI滤波器乃至整机系统实现较好的电磁兼容环境带来更大的帮助。