设计基于磁性材料的EMI滤波器

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校超微晶(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