- 基于磁性材料的EMI濾波器設計
- 共模電感磁芯
- 差模電感磁芯
- 磁性材料的溫度特性
引言
開關電源一般都采用脈沖寬度調制(PWM)技術，其特點是頻率高，效率高，功率密度高，可靠性高。然而，由于其開關器件工作在高頻通斷狀態，高頻的快速瞬變過程雖然能完成正常的能源傳遞，但卻是一種電磁騷擾源。它產生的EMI信號有很寬的頻率范圍，又有較高的幅度，因而會嚴重影響其他電子設備的正常工作。
1 EMI濾波電路
開關電源的開關頻率及其諧波的主要表現是電源線上的干擾，稱之為傳導干擾。傳導干擾分為共模干擾和差模干擾。共模干擾是由載流導體與大地之間的電位差產生的，其特點是兩條線上的干擾信號電壓是同電位同相的；而差模干擾則是由載流導體之間的電位差產生的，其特點是兩條線上的干擾信號電位相同，但相位相反。事實上，針對不同的干擾信號，EMI濾波電路也分為抗共模干擾濾波電路和抗差模干擾濾波電路，圖1所示是其濾波電路。
一般而言，磁性材料根據其特性及應用可分為軟磁、硬磁、壓磁等，其中軟磁應用最為廣泛，幾乎所有感性器件(電感、變壓器、傳感器等)都離不開軟磁材料，目前，濾波電感應用最多的磁芯也是軟磁材料。磁性材料的選擇除了要正確選擇其基本的磁參數(如Bs、μi、Tc)外，還要仔細選定它們的電特性(如電阻率、頻寬、阻抗等)。根據EMI 濾波器的特點，共模濾波電感和差模濾波電感的磁芯選擇應遵守以下幾點：
第一、初始磁導率要高(μi>2000)；
第二、要有低矯頑磁力Hc，以減小磁滯損耗；
第三、電阻率ρ高，以減小高頻下的渦流損耗；
第四、ωc要高，適當的截止頻率可以展寬頻段；
第五、Tc要高，以適應各類工作環境；
第六、應具有某一特定的損耗頻率響應曲線，這樣，在需要衰減EMI信號的頻段內其損耗較大，因而可以把EMI衰減到最低電平，而在需要傳輸信號的頻段內損耗應較小，這樣，信號容易通過。
2 共模電感磁芯
EMI 濾波器需要抑制的頻率范圍通常在10kHz～50 MHz之間。為了使共模濾波電路在此頻率范圍內都能提供適當的衰減，磁芯在此頻率范圍內的阻抗必須都要很高。共模磁芯的總阻抗(Zs)由串聯感性阻抗 (Xs)和串聯阻性阻抗(Rs)兩部分組成。在低頻部分，磁芯阻抗主要以感性阻抗為主，隨著頻率的增加，阻性阻抗逐步增加，漸漸起主要作用，圖2所示是頻率與阻抗的關系曲線。圖中，兩種阻抗的結合，可使磁芯在此全頻范圍內提供合適的總阻抗(Zs)。
共模電感線圈如圖l中Lcl，Lc2是繞在一只磁芯上的兩組獨立的線圈，所繞圈數相同，繞向相反。這樣，當EMI濾波器接入電路后，兩組線圈產生的磁通在磁芯中將相互抵消，故不會使磁芯飽和。對于干擾信號而言，共模磁芯一般工作在低磁場區域，所以，共模濾波電感選用的磁性材料要求具有較高的初始磁導率μi。如果只針對濾波器的插入損耗這一指標，則初始磁導率μi越高，濾波電路呈現的感抗就越大，所得到的插入損耗指標就越好。但在整個電路中，還要綜合考慮磁性材料在電路中的其它特性，如頻率阻抗特性、居里溫度、磁材的形狀等等。μi值不同的各種磁性材料，在不同頻率下的阻抗特性也不一樣，故要根據所需要的頻率范圍來選取合適μi值的磁性材料。圖3所示是不同類型的高μi軟磁材料在同樣條件下的頻率與阻抗關系曲線，該曲線反映出電感磁芯的插入損耗變化趨勢。其它的性能參數(如電感值、體電阻等)如表1所列。
當頻率在100 kHz～1 MHz頻段時，鐵氧體材料Z急增，而金屬磁性材料和超微晶仍然平穩上升，在1 MHzl／寸，進口鐵氧體達到峰值，Z最大，說明在這一頻段內，鐵氧體材料對干擾噪聲的抑制效果最好。所以，制造共模濾波器時所選用的電感材料一定要根據電路要求的抑制頻段范圍來選擇，這是非常重要的。同時，從表1與圖3所示曲線對比可以看出，并不是電感量越高越好，而應考慮它的電參數，更不能簡單用增加線圈匝數的方法來增加電感，因為這樣會增加高頻寄生電容。
目前，在大多數情況下，共模磁芯材料一般選擇使用鐵氧體。鐵氧體主要分為兩種：鎳鋅鐵氧體和錳鋅鐵氧體。鎳鋅材料磁芯的特性是其初始磁導率較低，但是它能在很高的頻率時維持其磁導率不變。因為鎳鋅材料磁芯的初始磁導率較低，所以，它在低頻時不能產生足夠高的阻抗，故對低頻<5 MHz時，干擾信號的抑制作用較小，因而主要使用在干擾信號在高頻(大于10 MHz)的濾波器中。錳鋅材料磁芯在低頻(50 MHz下，特別是10 MHz以下)時有很高的磁導率，有些磁芯的磁導率能超過5000，故適合使用在10 kHz～50 MHz的EMI濾波器中。當系統中需要EMI濾波器抑制的干擾信號頻率在10 MHz以內時，可選用的共模磁芯材料主要是錳鋅材料的鐵氧體磁芯。
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3 差模電感磁芯
由于EMI濾波器的輸出電流較大，如果使用太高磁導率的材料，將很容易導致磁飽和，所以，為了適應差模抗干擾濾波器的電感磁芯需要，應選用有較高飽和磁感應強度的磁芯。為提高差模電感的飽和磁感應強度，可以選用磁性材料本身就具有很高飽和磁感應強度的磁芯(如復合磁粉芯等)；也可以用在磁芯開氣隙的方法來降低磁導率，以提高磁芯的抗飽和能力(如鐵氧體PC40磁芯等)。然而，在磁芯開氣隙處，除了有很強的交變漏磁場會引起新的輻射干擾外，由于磁致伸縮(磁致伸縮效應是指磁化使磁材料產生機械應變的效應)，還會在氣隙處產生新的噪聲和環境污染，因此，在使用時要特別注意。
目前較為理想的差模濾波電感材料是復合磁粉芯。它是將金屬軟磁粉末經絕緣包裹壓制退火而成，相當于把一集中的氣隙分散成微小孔穴均勻分布在磁芯中，這樣不但材料的抗飽和強度會增加，而且磁芯的電阻率也會比原來增加幾個數量級且各向同極性，因此也就改善了金屬磁性材料不能在高頻下使用的缺陷。這也是國外新型差模濾波電感都采用金屬磁粉芯，而越來越少使用開口鐵氧體磁芯的原因。
4 磁性材料的溫度特性
選擇電感的磁芯材料不但要考慮其磁特性，還要考慮其溫度特性，包括高低溫下的磁性變化和磁性材料的居里溫度特性。磁芯由鐵磁性(亞鐵磁性或反鐵磁性)轉變成順磁性的溫度稱為居里溫度。在圖5所示的 μ-T曲線上，80％μmax與20％μmax連線與μ=1的交叉點相對應的溫度，即為居里溫度Tc。
由于磁性材料到了居里溫度點后就失去磁性。因而此時將會對電路產生巨大的損害，嚴重時會燒毀電路，所以磁性材料的工作溫度必須在居里溫度之下。例如：在一些產品中，其工作溫度為-55～+125℃。正常工作時，由于電路的損耗會導致發熱，從而使磁芯內部的溫度升高，此時磁芯的最高溫度將可能達到140℃，所以，選擇的磁性材料的居里溫度必須高于這個溫度點，并要進行降額設計，以留有足夠的余量。通常而言，磁性材料的μi值越高，則居里溫度越低；反之μi越低，居里溫度越高，所以，要綜合考慮μi值和居里溫度來選擇磁性材料。
中小功率的EMI濾波器產品中選用最多的磁芯材料是日本TDK公司 的PC40 (它是目前業界廣泛使用的較好的材料之一)，它的初始磁導μi隨溫度的變化曲線如圖6所示。從圖中可看出，溫度變化對μi的影響是很大的，磁芯溫度在 90～150℃的區間內，有一段平坦區，這時它的μi大約在4100左右；當溫度低于90℃后，μi值會隨著溫度的降低而逐漸減小，到0℃時，μi值只有 2000左右，進到負溫區后，μi值還會進一步減??；而當溫度高于150℃后，μi值則會隨著溫度的升高而增加，當達到240℃時，μ的最大值為5600 左右；從240℃開始，μi值又漸漸減小，當溫度達到居里溫度點250℃時，材料失去磁性。
對于許多類型的電子系統，EMI是個較為棘手的問題。隨著開關電源的不斷小型化和高頻化，相應的EMI濾波器也在不斷改進和發展，以適應開關電源不斷發展的需要。EMI濾波器的改進和發展需要磁性材料的支撐，相信磁性材料的性能改進，一定會對EMI濾波器乃至整機系統實現較好的電磁兼容環境帶來更大的幫助。
