滤波电感器在电源抗干扰中的应用

1 引言

随着开关电源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了其他电子设备的正常运行，导致设备功能失调、传输失误、控制失误，而且威胁着人体健康安全，已成为一种无形的污染，不逊色于水等有形污染的危害， 空气和噪音。因此，降低电子设备中的电磁干扰（EMI）已成为世界电子工业关注的问题。为此，欧洲共同体有关EMC委员会的有关法令于1992年1月1日生效，历时4，最终于1996年1月1日生效。该法令指出，所有不符合欧洲和国际EMC标准规定的产品都不允许进入市场销售，违者受到严厉处罚，同时将EMC认证和电气安全认证作为部分产品认证的首要条件。此举在世界电子市场引起了巨大震动，EMC成为影响国际贸易的重要指标。为了与国际接轨，中国也相继制定了相关的EMC法规。为此，我国多次召开电磁兼容标准和论证会，建议自1997月1日起在市场上流通的电子设备必须制定和设计针对无线电干扰的抑制措施，并放置抑制元件。使产生的电磁干扰不超过标准规定的水平。从<>年<>月起，所有进入市场的产品都必须带有EMC标志。这是我国电子产品参与国际市场竞争的第一步。

2 抗干扰滤光片特性

抗干扰滤波器和传统信号滤波器之间存在概念差异。信号滤波器在阻抗匹配的条件下工作，即通过滤波器保持输入输出信号的幅值不变，部分频域按预期进行处理和变换。EMI滤波器用于抑制进出设备的电磁干扰，并具有双向抑制功能。因此，这需要EMI滤波器端口和器件之间的最大不匹配。这样，滤波器对电磁干扰的衰减等于其自身网络的衰减加上输入输出端口产生的反射，必须遵循以下规则，如表1所示。其中Rs是电网的输入阻抗，随电量变化;RL是EMI滤波器的输出阻抗，随负载大小而变化。

从电气角度来看，只有在阻抗不匹配的情况下才能在滤波器中产生最大吸收（或损耗），这在EMC的说法中称为“滤波器插入损耗”。EMI滤波器主要用于消除或减少传导干扰。实际上，传导干扰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的干扰信号相位相同且电位相等，差模干扰是相线之间干扰信号180°（等电位）的相位差。参见图1。

因此，滤波电路也分为抗共模和抗差模干扰电路，图中LC1LC2、Cy1Cy2构成共模滤波电路，LC1LC2是共模滤波电感，而Ld1Ld2Cx1Cx2构成差模电路。共模电感Lc的一般值为0.3mH~38mH，而共模电容Cy，只要将漏电流控制在<1mA的条件下，选择较大的值。差模电感Ld一般为几十到几百微亨，其电容应选用耐压大于1.4kV的陶瓷或聚酯电容。Ld1Ld2差模电感和电容值越大，低频效果越好。市场上购买的EMI滤波器大多是针对共模干扰而设计的，对差模抑制的效果很差。实际上，开关电源的共模和差模干扰同时存在，特别是对于有源功率因数校正电路，差模干扰的强度非常大。对于开关电源，EMI滤波器抑制高频EMI信号比低频EMI传导消除要容易得多。通常共模电感之间的差异可以消除300kHz~30MHz的传导干扰水平。滤波器的设计和选择必须根据电路的实际需要确定。首先测量传导干扰等级与规定的EMC标准限值比较，一般0.01MHz~0.1MHz为差模干扰起主导作用，0.1MHz~1MHz为差模和共模干扰的组合，而1MHz~30MHz主要是共模干扰。根据实验结果，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，需要有相当高的技术水平和经验。

3 EMI滤波器电感材料的选择

减少电子设备中的电磁干扰已成为电子产品是否有市场的关键问题。软磁材料已成为EMI滤波器中不可或缺的元件，发挥着举足轻重的作用。由软磁材料制成的各种EMI抑制元件广泛用于各种电子电路和设备。这是因为软磁材料具有其独特的性能，这使得它们在抗电磁干扰领域发挥着重要作用。然而，对于电子制造商来说，期望通用EMI滤波器能够将干扰降低到低于所有电子设备的标准是不现实的。EMI滤波器的设计应根据电子设备的EMC标准进行选择，即需要衰减EMI信号的频带范围和多余水平，尤其是其中的软磁材料。因为软磁材料种类繁多，每一种都有自己的电磁特性。除了基本的磁性参数，如Bsμi损耗，它们的电气特性，电阻率，带宽，阻抗等。应该使用。根据所需的衰减干扰信号范围，确定相应的滤波电路，然后仔细选择适合频段的磁性材料，滤波电感可以达到最经济和最佳的效果。如果要使用一种材料来满足各种抗干扰滤光片不能达到预期的效果，就必须选择适合该频段的磁性材料。从材料的角度来看，EMI滤波器会阻挡不需要的信号并以热量的形式消耗它们，从而使所需的信号以很小或没有衰减的方式通过。值得指出的是，以发热形式消耗的能量并不是指线圈在电流作用下的焦耳热（即I2R）。因此，在绕组线圈时，必须使用线径较大的铜线，以尽量减少这种能量的损失。从电学角度来看，滤波器中磁性材料的电感可以相当于纯电感L和纯电阻R在低频下的串联，其阻抗Z=R+jωL。对于平均直径为D的环，根据安培定律和电磁感应定律：

e=N1S·dB/dt

H=N1I/l

其中N1，I - 是环形铁芯上励磁线圈的匝数和电流;

S - 核心横截面积;

l - 平均磁路长度 （πD）。

用相量表示为：

μ=μ′-jμ”

内核在低频时可以等效：Z=R+jωL=E/Im

上述公式的代入

因此，您可以获得：

磁性参数通过上述公式直接与电气参数相关联。它表示磁性材料的磁性参数在电路中发挥的作用。公式（1）表示电路中的电感与磁性材料的弹性磁导率μ′直接相关，表明器件的纯电感率与频率无关。电路中的电阻R与磁性材料μ的复磁导率的虚部有关”。公式（2）与材料的涡流损耗、迟滞损耗和残余损耗有关，也与频率有关。电反射，相当于等效电阻R。最后，器件的热能被耗散到空间中，EMI滤波器中的电感可以利用磁性材料的这一特性滤除干扰信号。从另一个角度来看，EMI滤波器电感发热是正常的，只要不影响电路的正常工作即可。

图2显示了串联等效电路中滤波电感的R与频率的关系曲线。相当于电感的插入损耗曲线。在低频段，即f〈f1，电路中电感的阻抗R非常小，可以忽略不计，电流风流过无损耗。在这个阶段，电感磁性本身消耗的能量非常少，主要是线圈加热（I2R）。只有在大电流工作环境中，才应考虑这部分能量转换热量。如大功率晶闸管调光灯电路中的抗干扰电感，由于电流高达20A~50A，甚至更高，即使绕线电阻很小，但能量与电流的平方成正比，所以线圈的发热非常大。此时，只有增加铜线（单股或多股）的线径，才能大大降低线圈温度。当频率在f1~fc波段时，从负阻抗曲线可以看出，等效电阻R随着频率的增加而逐渐增大。这表明电路电感储能功能随频率的增加而减小，损耗随频率的增加而增加。等效电阻R在fc点附近迅速增加，从磁性的角度来看，磁性材料吸收电路中的高频能量并将其转换为材料的内部损耗，例如磁畴壁的运动和微涡流效应引起的微观损耗。它在FC点附近不再具有储能效果。FC的高低与磁性材料的性能有关。一般来说，铁氧体材料FC都高，金属磁性材料FC;降低。但是，对于相同的材料，可以改变生产工艺材料的成分，并且可以人为地调整FC的水平。当频率超过fc时，阻抗开始降低，在f2处出现一个小峰值，这是高频下寄生电容Cw引起的谐振吸收。该峰值的频率与电感分布参数有关，与材料的性能关系不大。实际上，EMI滤波电感器的抗干扰作用是利用磁性材料的特性。

EMI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，滤波电感的磁性能要求完全不同。下面简要介绍：

（1）共模滤波电感材料的选择 共模电感线圈如图1所示，Lc1Lc2是缠绕在磁环上的两个独立线圈，匝数相同，绕组相反。当EMI滤波器连接到电路时，两个线圈产生的磁通量在磁芯中相互抵消，而不会使磁芯饱和。由于干扰信号相对较弱，磁芯一般在低磁场区域工作，磁性材料需要具有高初始磁导率μ0的材料作为共模滤波电感。但它也不是最初的渗透率

越高越好，还应考虑电路中磁性材料的电气特性。为了说明，下面选择不同类型的高μ0软磁材料来测量它们在相同条件下的频率和阻抗曲线，反映电感磁芯的插入损耗趋势，其性能如表2和图3所示。

曲线IV是国外专门用于抗共模干扰的电感磁芯（Mn-Zn铁氧体），与国产铁氧体相比，100Hz~在低频段10000Hz，由于材料本身电阻率高，交流等效电阻小，说明这个频段内干扰信号的损耗很小，电流主要对感抗起主要作用， 可以看出，铁氧体材料对低频干扰信号没有抑制作用，而超晶和1J851材料由于材料的电阻率相对较低，随着频率损耗的增加也随之增加，可以看出磁芯涡流损耗引起的等效电阻R远大于铁氧体。在10kHz~100kHz的频段R不断增加，该频段对干扰信号的抑制也在增加，其中1J851和超晶材料对干扰信号的抑制衰减最大，而铁氧体较小。对于线性滤波器，工作频率为50Hz~60Hz或400Hz~800Hz的电源应消除或衰减频率较低 对于10kHz干扰信号，最好使用金属磁性材料（或非晶超晶）。铁氧体在这个频段对干涉信号的吸收显然不如金属磁性材料。当在100kHz~1MHz频段附近时，铁氧体材料R急剧增加，而金属磁性材料和超晶材料仍然稳步上升，进口铁氧体在1MHz达到峰值。 R最大，其次是1J851。国内铁氧体位列第三超晶，其峰值在3MHz左右，但变化相对平坦。从曲线变化可以看出，虽然铁氧体的峰值吸收在7MHz左右，但吸收区相对较窄，而金属磁性材料的吸收区相对较宽，因此不同材料对不同频率的吸收灵敏度是不同的。因此，制造共模滤波器时选择的电感材料必须根据电路要求的抑制频带范围进行选择，这一点非常重要。同时，表1和图2曲线的比较表明，电感越高越好，但应考虑其电气参数，不能通过增加线圈匝数来增加电感。这增加了高频寄生电容。

（2差模滤波电感材料的选择与共模滤波电感完全不同，因为电感和负载串联，输入电流或输出电流直接通过电感铁芯，其AC（DC）电流较大，当然不能使用高磁导率材料。为了适应差模抗干扰滤波器电感磁芯的需要，最初采用铁氧体或金属磁性材料之间气隙增加退磁场的方法，以降低磁导率，增加磁芯的抗饱和能力。但是，这对于电源输入端使用的交流电的抗干扰滤波显然是不合适的。

不仅在开气隙处存在强烈的交变漏磁场，造成较大的辐射干扰，而且在气隙处出现局部损耗，导致铁氧体磁性变质甚至消失。由于铁氧体居里温度为200°C，在此温度下约为μ0，降至零，此时滤波效果已丧失。此外，由于磁致伸缩，在气隙处产生新的机械噪声，污染环境。为此，人们使用新型复合磁粉芯。这是目前最理想的滤波电感材料，它是将金属软磁粉通过绝缘包裹压制退火，它相当于将一个集中的气隙分散成均匀分布在铁芯中的微小孔中，不仅材料的饱和强度提高了，而且铁芯的电阻率比原来增加了几个数量级和各向同性， 改变了金属磁性材料不能在高频下使用的缺点。这就是为什么国外所有的差模滤波电感器都使用磁粉磁芯而不是开路铁氧体磁芯的原因。频率阻抗曲线由具有各种特性的磁粉磁芯测量（见图4）。图中的变化曲线显示了具有不同磁性的电感器，它们的阻抗和频率变化并不相同。铁粉芯SF70和55930在干扰频率<2kHz时阻抗基本不变，表示无吸收，而SF30小于60kHz时对信号也没有吸收效应。吸收在2MHz左右迅速增加，吸收最强接近10MHz，而SF70在100kHz，以后不会有太大变化。可以看出，对于具有不同性能的材料，干涉信号的吸收频段也不同。国内外广泛使用的电子调光设备大多采用移相晶闸管调光。在晶闸管导通的瞬间，由于电流的突然变化，会产生大量高频谐波引起的电磁干扰，不仅严重影响音响设备、灯具、录像等设备，而且严重干扰电网系统。必须安装抗干扰电感器（美国的LeeColorTran，英国的Lank和日本的RDS使用这种方法来抑制干扰）。为方便起见，分析电流上升时间tr用于确定电感磁芯的抗扰度。不同材料的数据如表3所示。

抑制调光灯工业检测干扰的效果可以用电子调光器开启时的电流上升时间tr来表示。上升时间越长，电路的谐波分量越小，抑制效果越好。从表中不难看出，国产ZW-1电感tr时间可高达450μs，而磁导率仅为70。虽然开路非晶带状铁芯具有最高的磁导率（μe=800），但电流上升时间太短，只有100μs，存在严重的机械噪声。这说明添加电感后的抗干扰能力在高磁导率下不好，在低磁导率下也不好，而是与所选的磁性材料材料有关。为了进一步分析，在相同条件下测量不同材料的干扰电压，图5是英国兰克，国产ZW-1磁粉磁芯和常开磁芯的电源端子干扰电压和频率曲线。

根据《电子调光设备无线电干扰的允许值及测量方法》的测量结果，不难看出国产ZW-1电感器和英国兰克电感器相比，国产ZW-1电感器的抗干扰等级低于A标准，而英国兰克电感器在0.16MHz~3.5MHz频段超标， 而采用开放式硅钢片制成的抗干扰电感器在0.01MHz-1.2MHz的频段均超标。使用开芯作为抗干扰电感器是不可能达到标准的。目前，国内调光灯大多采用铁氧体磁环作为抗干扰电感器，这显然是错误的。它不是抑制干扰，而是增加干扰，因为铁氧体总是在饱和区工作。

图6显示了程控开关的100A抗干扰滤波器的衰减曲线。抗干扰衰减曲线I是进口的类似滤波器，干扰电平在0.01MHz~100MHz范围内的衰减比较均匀平滑。曲线II采用开路铁氧体作为滤波器，频率为0.4MHz~0.8MHz时的峰值表明该频段内干扰信号衰减小，不符合要求。后来被美国微金属公司的铁粉芯取代，在0.2MHz~0.45MHz频段的抗干扰能力较弱（如曲线III但比开路铁氧体好，仍然不理想。因为对于通信电源来说，最伤脑筋的就是低频干扰。后来，由专门开发的磁粉芯制成的滤波器的干涉水平，如曲线IV，优于曲线II和III，甚至优于国外同类滤波器的性能。从以上例子可以看出，在开发EMI滤波器时，应特别注意滤波电感器的选择。不仅要选择合适的磁性材料，还要选择适合所需衰减带的磁性。因此，磁性材料的选择在EMI滤波器中起着举足轻重的作用。

4 抗干扰滤光片的发展趋势

目前的电子电路正在转向高速数字电路。高装配密度和高计算速度对EMC提出了更高的要求。电子产品的小型化、多功能化、移动化发展，推动了电子产品在组装方式上向表面贴装技术的转移，进一步减少了干扰。同时，为了提高其动态响应并减少干扰，需要降低电源总线的引线电感。最有效的方法是将电源直接安装在负载附近，并使用分散式供电方式（即小型电源）而不是集中式电源形式（大功率电源），这大大减少了引线的长度，有效减少了辐射干扰。因此，未来几年，美国将大力发展低功耗16W~25W低压（输出电压最低1.2V）DC/DC开关电源。可以看出，片式磁性器件是小型化的关键材料之一，可分为绕线片式电感器、叠层片式电感器和薄膜片式电感器。为此，上海钢铁研究院已开始研发金属膜电感器和薄膜变压器元件。目前，美国和日本的一些重要研究机构已经开始研究薄膜电感器和薄膜变压器，并将它们与集成元件相结合，形成新型的超小型、高可靠性、高抗扰度的功率模块。由此可见，超小型电感和变压器将是21世纪磁性元件的发展方向