磁性材料在EMI滤波器中应用

1、磁性资料在EMI滤波器中的应用磁性资料在EMI滤波器中的应用磁性资料在EMI滤波器中的应用磁性资料在EMI滤波器中的应用开关电源一般都采纳脉冲宽度调制(PWM)技术，其特色是频次高，效率高，功率密度高，靠谱性高。但是，因为其开关器件工作在高频通断状态，高频的迅速瞬变过程固然能达成正常的能源传达，但倒是一种电磁骚扰源。它产生的EMI信号有很宽的频次范围，又有较高的幅度，因此会严重影响其余电子设施的正常工作。1EMI滤波电路开关电源的开关频次及其谐波的主要表现是电源线上的扰乱，称之为传导扰乱。传导扰乱分为共模扰乱和差模扰乱。共模扰乱是由载流导体与大地之间的电位差产生的，其特色是两条线上的扰乱信号电

2、压是同电位同相的;而差模扰乱则是由载流导体之间的电位差产生的，其特色是两条线上的扰乱信号电位同样，但相位相反。事实上，针对不同的扰乱信号，EMI滤波电路也分为抗共模扰乱滤波电路和抗差模扰乱滤波电路，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，其性能好坏直接决定EMI滤波器的成败，而共模滤波电感和差模滤波电感的性能利害主假如由磁芯的特征所决定，所以，剖析EMI滤波器中所用的磁芯特征，其意

3、义相当重要。一般而言，磁性资料依据其特征及应用可分为软磁、硬磁、压磁等，此中软磁应用最为宽泛，几乎全部感性器件(电感、变压器、传感器等)都离不开软磁资料，当前，滤波电感觉用最多的磁芯也是软磁资料。磁性资料的选择除了要正确选择其基本的磁参数(如Bs、i、Tc)外，还要仔细选定它们的电特征(如电阻率、频宽、阻抗等)。依据EMI滤波器的特色，共模滤波电感和差模滤波电感的磁芯选择应恪守以下几点：第一、初始磁导率要高(i2000);第二、要有低矫顽磁力Hc，以减小磁滞消耗;第三、电阻率高，以减小高频下的涡流消耗;第四、c要高，适合的截止频次能够展宽频段;第五、Tc要高，以适应各类工作环境;第六、应拥有某

4、一特定的消耗频次响应曲线，这样，在需要衰减EMI信号的频段内其消耗较大，因此能够把EMI衰减到最低电平，而在需要传输信号的频段内消耗应较小，这样，信号简单经过。共模电感磁芯EMI滤波器需要克制的频次范围往常在10kHz50MHz之间。为了使共模滤波电路在此频次范围内都能供给适合的衰减，磁芯在此频次范围内的阻抗一定都要很高。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，跟着频次的增添，阻性阻抗逐渐增添，逐渐起主要作用，图2所示是频次与阻抗的关系曲线。图中，两种阻抗的联合，可使磁芯在此全频范围内供给适合的总阻抗(Zs)。共模

5、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，所绕圈数同样，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互相抵消，故不会使磁芯饱和。关于扰乱信号而言，共模磁芯一般工作在低磁场地区，所以，共模滤波电感采纳的磁性资料要求拥有较高的初始磁导率i。假如只针对滤波器的插入消耗这一指标，则初始磁导率i越高，滤波电路呈现的感抗就越大，所得到的插入消耗指标就越好。但在整个电路中，还要综合考虑磁性资料在电路中的其余特征，如频次阻抗特征、居里温度、磁材的形状等等。i值不同的各种磁性资料，在不同频次下的阻抗特征也不同样，故要依据所需要的频次范围来选取适合i值的磁性资料。图

6、3所示是不同种类的高i软磁资料在同样条件下的频次与阻抗关系曲线，该曲线反应出电感磁芯的插入消耗变化趋向。其余的性能参数(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扰乱用的电感磁芯(Mn-Zn铁氧体PC40)所呈现的阻抗特征，曲线是国产铁氧体(R4KB)的阻抗特征。在低频段(100Hz10kHz)，因为资料自己电阻率高，交流等效电阻小，电路中感抗起了主要作用，说明铁氧体资料在这个频段内对扰乱信号的克制作用较小。超微晶(曲线)和金属磁性资料薄膜合金1J851(曲线I)资料因为资料自己的电阻率比较低，随频次增添时，其涡流消耗也增添，其等效阻抗Z比铁氧体大得多。在10100

7、kHz的频段内，四种资料的Z都在增添，不过铁氧体资料的变化斜率要比超微晶(曲线)和金属磁性资料薄膜合金1J851更陡，说明在这一频段内，它们对扰乱信号的克制都在不停地加强。当频次在100kHz1MHz频段时，铁氧体资料Z急增，而金属磁性资料和超微晶仍然平稳上升，在1MHzl/寸，入口铁氧体达到峰值，Z最大，说明在这一频段内，铁氧体资料对扰乱噪声的克制成效最好。所以，制造共模滤波器时所采纳的电感资料必定要依据电路要求的克制频段范围来选择，这是特别重要的。同时，从表1与图3所示曲线对照能够看出，其实不是电感量越高越好，而应试虑它的电参数，更不可以简单用增添线圈匝数的方法来增添电感，因为这样会增添高

8、频寄生电容。当前，在大部分状况下，共模磁芯资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。镍锌资料磁芯的特征是其初始磁导率较低，可是它能在很高的频次时保持其磁导率不变。因为镍锌资料磁芯的初始磁导率较低，所以，它在低频时不可以产生足够高的阻抗，故对低频5MHz时，扰乱信号的克制作用较小，因此主要使用在扰乱信号在高频(大于10MHz)的滤波器中。锰锌资料磁芯在低频(50MHz下，特别是10MHz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10kHz50MHz的EMI滤波器中。当系统中需要EMI滤波器克制的扰乱信号频次在10MHz之内时，可采纳的共模磁芯资

9、料主假如锰锌资料的铁氧体磁芯。差模电感磁芯因为EMI滤波器的输出电流较大，假如使用太高磁导率的资料，将很简单致使磁饱和，所以，为了适应差模抗扰乱滤波器的电感磁芯需要，应采纳有较高饱和磁感觉强度的磁芯。为提升差模电感的饱和磁感觉强度，能够采纳磁性资料自己就拥有很高饱和磁感觉强度的磁芯(如复合磁粉芯等);也能够用在磁芯开气隙的方法来降低磁导率，以提升磁芯的抗饱和能力(如铁氧体PC40磁芯等)。但是，在磁芯开气隙处，除了有很强的交变漏磁场会惹起新的辐射扰乱外，因为磁致伸缩(磁致伸缩效应是指磁化使磁资料产活力械应变的效应)，还会在气隙处产生新的噪声和环境污染，所以，在使用时要特别注意。当前较为理想的差

10、模滤波电感资料是复合磁粉芯。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别成细小孔穴平均散布在磁芯中，这样不只资料的抗饱和强度会增添，并且磁芯的电阻率也会比本来增添几个数目级且各向同极性，所以也就改良了金属磁性资料不可以在高频下使用的缺点。这也是外国新式差模滤波电感都采纳金属磁粉芯，而愈来愈少使用张口铁氧体磁芯的原由。图4所示是Magnetic企业的SF30与SF70金属磁粉芯及55930镍铁磁粉芯的频次一阻抗变化曲线。不同磁性能的磁芯，其阻抗与频次变化是不同样的。由图4能够看出，铁磁粉芯SF70和镍铁磁粉芯55930在扰乱频次小于2kHz时，其阻抗很小且基本不变，表示对这

11、一频段的扰乱信号衰减很小。铁磁粉芯SF30在小于60kHz时，对扰乱信号的衰减也很小，但到2MHz附近的汲取则迅速加强，在接近10MHz时汲取最强，而SF70在100kHz此后曲线的斜率变化不大。由此可见，不同性能的资料对扰乱信号的汲取频段也不同样。所以在实质设计中，一定依据实质所需克制的扰乱信号频段进行磁芯资料的选择。磁性资料的温度特征选择电感的磁芯资料不只要考虑其磁特征，还要考虑其温度特征，包含高低温下的磁性变化和磁性资料的居里温度特征。磁芯由铁磁性(亚铁磁性或反铁磁性)转变为顺磁性的温度称为居里温度。在图5所示的-T曲线上，80%max与20%max连线与=1的交叉点相对应的温度，即为居

12、里温度Tc。s因为磁性材想到了居里温度点后就失掉磁性。因此此时将会对电路产生巨大的伤害，严重时会烧毁电路，所以磁性资料的工作温度一定在居里温度之下。比如：在一些产品中，其工作温度为-55+125。正常工作时，因为电路的消耗会致使发热，进而使磁芯内部的温度高升，此时磁芯的最高温度将可能达到140，所以，选择的磁性资料的居里温度一定高于这个温度点，并要进行降额设计，以留有足够的余量。往常而言，磁性资料的i值越高，则居里温度越低;反之i越低，居里温度越高，所以，要综合考虑i值和居里温度来选择磁性资料。中小功率的EMI滤波器产品中采纳最多的磁芯资料是日本TDK企业的PC40(它是当前业界宽泛使用的较好的资料之一)，它的初始磁导i随温度的变化曲线如图6所示。从图中可看出，温度变化对i的影响是很大的，磁芯温度在90150的区间内，有一段平坦区，这时它的i大概在4100左右;当温度低于90后，i值会跟着温度的降低而逐渐减小，到0时，i值只有2000左右，进到负温区后，i值还会进一步减小;而当温度高于150后，i值则会跟着温度的高升而增添，当达到240时