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1、滤波电感在电源抗干扰中的应用文章加入时间：2004年8月5日14:33:26摘要：从磁性材料的角度指出了共模与差模抗干扰滤波器中电感材料的选择原则。指出必须根据干扰信 号的类型（共模或差模）选取对应的磁性材料，并按照所需抑制频段研制该材料的磁性能，使之适合该抑制频 段需要，只有这样才能得到最佳的抗干扰效果。最后本文指出由于开关电源的微型化，促进抗干扰电感器件向 片式化和薄式化的发展。关键词：电磁干扰（EMI）电磁兼容（EMC共模、差模抗干扰滤波器引言随着开关电源类的数字电路的普及和发展，电子设备辐射和泄漏的电磁波不仅严重干扰其他电子设备正 常工作，导致设备功能紊乱、传输错误、控制失灵，而且威胁
2、着人类的健康与安全，已成为一种无形污染，并 不逊色于水、空气、噪声等有形污染的危害。因此降低电子设备的电磁干扰（EMI）已成为世界电子行业关注 的问题。为此欧洲共同体有关EMC委员会制定有关法令于1992年1月1日开始实施，历时4年后于1996年1月1日最终生效。该法令指出凡不符合欧洲和国际EMC标准规定的产品一律不得进入市场销售，违者重罚，同时把EMC认证和电气安全认证作为一些产品认证的首要条件。此举引起世界电子市场巨大的震动，EMC成为影响国际贸易一个重要的指标。为了与国际接轨，我国也相继制定了有关EMC法规。为此我国多次召开电磁兼容标准与论证会，建议自1997年1月1日起在市场上流通的电
3、子设备必须制定、设计对无线电干扰的抑制措施，安置抑制元器件，使产生的 电磁干扰不超过标准规定的电平。于2001年1月1日起凡进入市场产品必须有EM （标志。这是我国电子产品参与国际市场竞争的第一步。2抗干扰滤波器特征Rs小大小大电路RL小7人人小表1RS RL类别和大小抗干扰滤波器与通常的信号滤波器之间有着概念上的区别。信号滤波器是在阻抗匹配的条件 下工作，即通过滤波器要保持输入与输出信号振幅不变为前提，将其中部分频域作预期的处理和变 换。而EMI滤波器用于抑制进入设备与出自设备的电磁干扰，具有双向抑制性。因此这就要求EMI滤波器的端口处与设备产生最大失配。这样才能使滤波器对电磁干扰的衰减等于
4、自身网络的衰减再加上输入和 输出端口所产生的反射，必须遵循如下规律，见表1。其中Rs为电网输入阻抗，随着电量大小而变化；RL是EMI滤波器的输出阻抗，随负载大小而变。从电学角度来说只有阻抗不匹配的条件下才能在滤波器内产生最大的吸收（或损耗），用EMC俗语称之为“滤波器插入损耗”。EMI滤波器主要是消除或降低传导干扰。实际上传导干扰又分为共模干扰和 差模干扰，所谓共模干扰是指相线与地线之间干扰信号的相位相同、电位相等，而差模干扰是相线间干扰信号 相位差180。（电位相等）。因此滤波电路也分为抗共模和抗差模干扰电路，参见图1。图1抗共模和抗差模干扰电路图中LC1,LC2, Cy1,Cy2构成共模滤
5、波电路，LC1 C2为共模滤波电感，而Ld1,Ld2,Cx1,Cx2 构成差模电路。共模电感Lc 一般数值0.3mHH38mH|共模电容Cy,只要控制在漏电电流于1mA条 件 下， 选择较大数值为准。而差模电感Ld 一般在几十至几百微亨，其电容应选耐压大于1.4kV的陶瓷或聚酯电容。 Ld1,Ld2差模电感、电容值越大，低频效果越好。市场上购买的EMI滤波器大都是对共模干扰设计的，对差模 抑制效果很差。实际上开关电源中共模与差模干扰同时存在，特别对于有源功率因数校正电路中差模干扰的强 度很大。对 于开关电源，EMI滤波器对高频的EMI信号抑制比低频的EMI传导消除容易得多。常常利用共模 电感的
6、差值形成的差模电感就能消除300kHz 30MHz传导干扰电平。设计和选用滤波器一定要根据电路的实 际需要而定。首先测出传导干扰电平与所规定的EMC标准极限比较，一般0.01MHz 0.1MHz是差模干扰 起主导 作用，0.1MHz 1MHz是差 模与共模干扰 联合作用，而1MHz 30MHz主要是共模干扰起作用。根 据实验结果来判断和选择对超标信号有抑制作用的滤波器或器件。当然实际操作相当复杂，要有相当高的技术 水平和经验。3 EMI 滤波器中电感材料的选择降低电子设备的电磁干扰已成为电子产品是否有市场的关键问题。而软磁材料已成为EMI滤波器中不可少的元件，并起着举足轻重的作用。现在用软磁材
7、料制成的各种抑制EMI元器件广泛地应用于各种电子电路和设备之中。这是因为软磁材料具有它独特的性能，致使其在抗电磁干扰领域发挥主要作 用。然而，电子产品生产厂家希望能得到通用EMI滤波器对所有的电子设备都能把干扰降低到标准以下，这是不现实的。EMI滤波器的设计要根据该电子设备的EMC标准，即需要衰减EMI信号的频段范围和超标电平高低来选择，特别是其中的软磁材料。因为软磁材料种类繁多，各有自己的电磁特 征。除了基本磁参数如Bs, P i损耗外，还要利用它们的电特性、电阻率、频宽、阻抗等。根据所需衰减干扰信号范围，确定对应的滤波电路，然后再精心挑选适合于该频段的磁性材料，滤波电感才能 达到最经济和最
8、佳效果。想用一种材料满足各种抗干扰滤波器是不能达到预期效果的，必需选用适合该频段的 磁性材料。从材料的观点看，EMI滤波器的作用是阻隔不需要的信号并以发热的形式消耗掉，而让需要的信号无衰减或几乎不衰减地通过。值得指出的是以发热形式所消耗掉的 能量并不是指线圈在电流作用下的焦耳热（即I2R） o故在绕制线圈时一定要选用足够大线径的铜线， 尽量减少这种能量的损耗。从电学观点可把滤波器中带有磁性材料的电感在频率较低时等效为纯电 感L和纯电 阻R的串联，其阻抗Z=R+ j 3L0对于平均直径为D的圆环，根据安培定律和电磁感应定 律可得到：e=N1S dB/dtH=N1I/I式中N1, I -为环形磁芯
9、上激磁线圈匝数和电流；S磁芯截面积；I平均磁路长度(n D)o用相量表示为：-二磁芯在低频时可等效为：Z=R+ j 3 L=E/ImA尺七 h-i= 1F_J% +呼卓章V于是可以得到：只通过上式把磁学参数与电学参数直接联系起来。它表示磁性材料的磁性参数在电路中充当的 角色。式 表述电路中的电感直接与磁材料的弹性磁导率A 有关，表示器件的储能大小与频率无关的纯电感性。而电路中电阻R与磁性材料复数磁导率的虚数部分有关。式(2)则既与材料的涡流损耗、磁滞损耗及剩余损耗等有关，并且与频率也有关。反映在电学上就相当于等效电阻R。最后都转变成器件的热能散发到空间，而EMI滤波器中的电感能够滤去干扰信号就
10、是利用了磁性材料的这一特征。从另一个角度看，EMI滤波电感发热是正常的，只要不影响电路的正常工作就行了。图2是滤波器电感在串联等效电路中R与频率关系曲线。相当于电感的插入损耗曲线。在低频段即fEMI滤波器可分为共模抗干扰滤波器和差模抗干扰滤波器。因此对滤波电感的磁性能要求完全不同。现简述如 下：图2插入损耗与频率关系图3不同磁性材料的频率与阻抗曲线表2不同磁性材料磁性能对比P 0( XL(mH)P /(Q .m)l1J8510.02mm104)2560u超微晶435140川国产铁氧体0.84.2105W进口铁氧体0.53.4105(1)共模滤波电感材料的选择共模电感线圈如图1中Lc1,Lc2是
11、绕在磁环上的两只独立的线圈，所绕圈数相同，绕向相反。使EMI滤波器接入电路后，两只线圈产生的磁通在磁芯中相互抵消，不会使磁芯饱 和。由于干扰信号比较弱，所以磁芯一般工作在低磁场的区域，选用磁性材料要求具有较高的初始磁导率P 0 的材料做共模滤波电感。但也不是初始磁导率愈高愈好，还要考虑磁性材料在电路中的电特性。为了说明，下 面选择不同类型高P 0的软磁材料在同样条件下测其频率与阻抗关系曲线，反映出电感磁芯的插入损耗变化趋势，其性能如表2及图3所示。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)，与国产铁氧体相比较,在低频段100Hz 10000Hz，由于材料本身电阻率高，交流
12、等效电阻小，说明在这个频段干扰信号损 耗很小， 电流中主要以感抗起主要作用，可见铁氧体材料对低频干扰信号没有一点抑制作用，而超微晶和1J851材料由 于材料电阻率比较低，随频率的增加损耗也增加，可以看出磁芯涡流损耗引起 的等效电阻R比铁氧体大得多。在10kHz 100kHz的频段R不断增加，对该频段的干扰信号的抑制 也不断增强，其中1J851和超微晶材料对 干扰信号抑制衰减最大而铁氧体则很小。这对于线性滤波 器来说，工作频率在50Hz 60Hz或400Hz 800Hz 的电源要消除或衰减频率小于10kHz的干扰信号，最好选用金属磁性材料（或非晶超微晶）。而铁氧体在这个频段对干扰信号的吸收显然没
13、图4不同磁粉芯的阻抗随频率变化曲线有金属磁性材料好。当在频段100kHz 1MHz附近，铁氧体材料R急增而金属磁性材料和超微晶仍然平稳上升，在1MHz时进口铁氧体达到峰值，R最大，1J851次之。而国产铁氧体居第3位，超微晶其峰值则在7MHz附近，变化却比较平缓。从曲线变化可以看出铁氧体虽然吸收的峰值在1MHz附近，但吸收区比较狭窄，而金属磁性材料吸收区比较宽，故不同材料对不同频率的吸收敏感性不一样。所以 制造共模滤波器时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电感材料，这是非常重要的。同 时从表2与图3曲线对比说明并不是电感量越高越好，而应考虑它的电参数，更不能用增加线圈匝数来增
14、加电 感。因为这样会增加高频寄生电容。（2）差模滤波电感材料的选择与共模滤波电感完全不同，因为电感与负载是串联，输入电流或输出电流直接 通过电感磁芯，其交流（直流）电流很大，当然不能用高磁导率的材料。为了适应差模抗干扰滤波器的电感磁 芯的需要，最初采用铁氧体或金属磁性材料开气隙增加退磁场方法，降低磁导率，增加磁芯抗饱和能力。但这 对用于电源输入端的交变电流抗干扰滤波显然是很不恰当的。不仅 在开气隙处有很强的交变漏磁场引起的很大 辐射干扰外，还在气隙断口处产生局部的损耗而发热，导致铁氧体磁性恶化甚至消失。因为铁氧体居里温度为 200C ,在此温度附近P。降低至零，此时已失去滤波作用。再者由于磁致
15、伸缩在气隙处产生新的机械噪声，污染环境。为此人们采用新颖的复合磁粉芯。 这是目前最理想的滤波电感材料，它是将金属软磁粉末经绝缘包裹压制退火而成，它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，不但材料的抗饱和强度增加，而且磁芯的电阻率比原来增加几个数量级且各 向同性，改变了金属磁性材料不能在高频下使用的缺点。这就是在国外所有差模滤波电感都是用磁粉芯，而不 用开口铁氧体磁芯的原因。这里选取各种性能的磁粉芯测量频率-阻抗变化曲线（见图4 ）。图中的变化曲线表现出不同磁性能的电感，其阻抗与频率变化并不一样。铁粉芯SF70和55930在干扰频率2kHz时阻抗基本不变，表示没有吸收作用，而SF30在小于60kHz时对信号也没有吸收作用。在2MHz附近吸收迅速增强，在接近10MHz时吸收最强，而SF70在100kHz以后变化不大。可见不同性能的材料对干扰信号的吸收频 用移相式晶闸 高频谐波而引 等设备 还Co黑ran央国段也不 样。_管调光。在晶 起的电磁干扰 重干扰电网系 ink,日本龙田社国内外大量使闸管导通瞬间 不单严重影统。必须安装D都采用这样用的电子调因电流突变 响
