基于柔性多层绕组的集成EMI滤波器

漏感增大。图9（b）~（d)所示为基于此的不同实现途径。如增加低磁导率材料的中柱、增加带气隙的中柱或者在两边绕组外包裹导磁带材都可以实现这个目标。

图9. 增加差模电感的方法

下面将给出一些重要的公式和限制条件。基于这些公式，可以根据选定的参数设计合适的集成EMI滤波器。

共模电感计算：

这里µeff磁心的等效相对磁导率，n为匝数，Ae磁心有效截面积，le为等效磁路长度。

差模电感由绕组间的漏感实现。由于差模电流磁通在主磁路中绝大部分互相抵销，因此磁通密度的限定值由DM电感和电流峰值决定：

这里B为DM电感形成的磁通密度。它必须小于磁心材料的饱和磁通密度以防止磁心饱和。
共模电容：

这里εr为介质的相对介电常熟，l为绕组的总长度，w为导体宽度，d为介质的厚度。

介质的厚度必须要满足其击穿电压大于最大电源电压的限制条件。

绕组总长度计算公式为：

这里a和b为磁心柱截面的边长，d为绕组厚度，n为绕组的匝数。

柔性绕组的厚度d和宽度w要满足如下的限制条件：

d wcore/2n (6)

这里wcore 是磁心窗口宽度；

w hcore (7)

这里 hcore 是磁心窗口高度。

4、磁心材料非线性的影响

根据如图10所示的一种铁氧体磁心材料的复磁导率曲线，磁导率的实部表示电感元件的阻性部分也就是损耗，虚部代表感性部分。可以看到随着频率的增加，磁导率的实部和虚部并不是一根直线，存在着与频率有关的非线性。

铁氧体磁心材料的复磁导率计算公式如下：

L₀表示当相对磁导率为1时的电感值：

图11. 共模电感理论与测试阻抗曲线

由于EMI滤波器的有效工作频率为150kHz～30MHz，必须考虑磁心材料的非线性特性。否则对于集成EMI滤波器的模型分析在高频时将与实际情况差别较大，也就失去了分析的意义。图11中给出了CM电感的计算与测试阻抗曲线，其中分别给出了考虑磁心非线性和不考虑磁心非线性的阻抗曲线。可以看到，考虑磁心非线性的模型在高频段与测试曲线吻合的更好。

5、实验

根据前面提出的集成结构与方法，设计并制作了一个集成EMI滤波器的样机，图12中给出了它的照片。磁心选用的为东磁的UF33，材料为R10K，初始磁导率为10000。在磁心的两个边柱上分别绕制了一个柔性多层带材绕组，匝数为19匝。此绕组由4层带材结构组成：

⑴　绝缘层，厚度60um；
⑵　铜箔层，厚度70um;
⑶　介质层，厚度23um；
⑷　铜箔层，厚度18um。

绕组的总长度为1160mm。铜箔宽度为8mm。采用的介质材料为聚丙烯。采用的绝缘材料为聚酰亚胺。

图13用网络/频谱分析仪测量得到集成EMI滤波器的共模插入损耗，图14为集成EMI滤波器的差模插入损耗。在开关电源中通常共模干扰占主导。集成EMI滤波器的共模插入曲线在150kHz~30MHz范围内具有较好的衰减性能，不过在4MHz~6MHz处有一个反向的尖峰可能对性能造成影响。

为了检验样机的滤波特性，采用了一台单相的前端变换器产品，把集成EMI滤波器嵌入其中，如图15所示。

传导EMI测试结果如图16所示。基本上满足了CISPR-22 Class A 的标准，除了文中提到到的4MHz～6MHz范围内的性能有待提高，与图13中的插入损耗曲线是相对应的。

样机的温升曲线如图17所示（环境温度为摄氏16℃）。在满载工作30min条件下，集成绕组的温度不超过32℃，远低于介质材料的最高安全工作温度90℃。集成EMI滤波器的效率曲线如图18所示，在各种负载条件下效率均高于99%。

6、总结

本文提出了一种新型的集成EMI滤波器，它是基于柔性多层带材绕组这样一种新型的集成绕组实现的。它把所有共模电感、差模电感与共模电容集成在同一个元件中。制作了样机并进行了实验验证，实验结果表明此实现方法的有效性。

7、致谢

本文作者衷心感谢日本富士电机系统有限公司对本项目的支持。