磁性材料在EMI濾波器中應(yīng)用

1、磁性資料在EMI濾波器中的應(yīng)用磁性資料在EMI濾波器中的應(yīng)用磁性資料在EMI濾波器中的應(yīng)用磁性資料在EMI濾波器中的應(yīng)用開關(guān)電源一般都采納脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，其特色是頻次高，效率高，功率密度高，靠譜性高。但是，因?yàn)槠溟_關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)，高頻的迅速瞬變過程固然能達(dá)成正常的能源傳達(dá)，但倒是一種電磁騷擾源。它產(chǎn)生的EMI信號有很寬的頻次范圍，又有較高的幅度，因此會(huì)嚴(yán)重影響其余電子設(shè)施的正常工作。1EMI濾波電路開關(guān)電源的開關(guān)頻次及其諧波的主要表現(xiàn)是電源線上的擾亂，稱之為傳導(dǎo)擾亂。傳導(dǎo)擾亂分為共模擾亂和差模擾亂。共模擾亂是由載流導(dǎo)體與大地之間的電位差產(chǎn)生的，其特色是兩條線上的擾亂信號電

2、壓是同電位同相的;而差模擾亂則是由載流導(dǎo)體之間的電位差產(chǎn)生的，其特色是兩條線上的擾亂信號電位同樣，但相位相反。事實(shí)上，針對不同的擾亂信號，EMI濾波電路也分為抗共模擾亂濾波電路和抗差模擾亂濾波電路，圖1所示是其濾波電路。圖l中，LC1、LC2、Cy1、Cy2構(gòu)成共模濾波電路。LC1和LC2為共模濾波電感，而Ld1、Ld2、Cx1、Cx2則可構(gòu)成差模濾波電路，Ld1和Ld2為差模濾波電感。在這個(gè)濾波電路中，共模濾波電感和差模濾波電感起著舉足輕重的作用，其性能好壞直接決定EMI濾波器的成敗，而共模濾波電感和差模濾波電感的性能利害主假如由磁芯的特征所決定，所以，剖析EMI濾波器中所用的磁芯特征，其意

3、義相當(dāng)重要。一般而言，磁性資料依據(jù)其特征及應(yīng)用可分為軟磁、硬磁、壓磁等，此中軟磁應(yīng)用最為寬泛，幾乎全部感性器件(電感、變壓器、傳感器等)都離不開軟磁資料，當(dāng)前，濾波電感覺用最多的磁芯也是軟磁資料。磁性資料的選擇除了要正確選擇其基本的磁參數(shù)(如Bs、i、Tc)外，還要仔細(xì)選定它們的電特征(如電阻率、頻寬、阻抗等)。依據(jù)EMI濾波器的特色，共模濾波電感和差模濾波電感的磁芯選擇應(yīng)恪守以下幾點(diǎn)：第一、初始磁導(dǎo)率要高(i2000);第二、要有低矯頑磁力Hc，以減小磁滯消耗;第三、電阻率高，以減小高頻下的渦流消耗;第四、c要高，適合的截止頻次能夠展寬頻段;第五、Tc要高，以適應(yīng)各類工作環(huán)境;第六、應(yīng)擁有某

4、一特定的消耗頻次響應(yīng)曲線，這樣，在需要衰減EMI信號的頻段內(nèi)其消耗較大，因此能夠把EMI衰減到最低電平，而在需要傳輸信號的頻段內(nèi)消耗應(yīng)較小，這樣，信號簡單經(jīng)過。共模電感磁芯EMI濾波器需要克制的頻次范圍往常在10kHz50MHz之間。為了使共模濾波電路在此頻次范圍內(nèi)都能供給適合的衰減，磁芯在此頻次范圍內(nèi)的阻抗一定都要很高。共模磁芯的總阻抗(Zs)由串聯(lián)感性阻抗(Xs)和串聯(lián)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，跟著頻次的增添，阻性阻抗逐漸增添，逐漸起主要作用，圖2所示是頻次與阻抗的關(guān)系曲線。圖中，兩種阻抗的聯(lián)合，可使磁芯在此全頻范圍內(nèi)供給適合的總阻抗(Zs)。共模

5、電感線圈如圖l中Lcl，Lc2是繞在一只磁芯上的兩組獨(dú)立的線圈，所繞圈數(shù)同樣，繞向相反。這樣，當(dāng)EMI濾波器接入電路后，兩組線圈產(chǎn)生的磁通在磁芯中將互相抵消，故不會(huì)使磁芯飽和。關(guān)于擾亂信號而言，共模磁芯一般工作在低磁場地區(qū)，所以，共模濾波電感采納的磁性資料要求擁有較高的初始磁導(dǎo)率i。假如只針對濾波器的插入消耗這一指標(biāo)，則初始磁導(dǎo)率i越高，濾波電路呈現(xiàn)的感抗就越大，所得到的插入消耗指標(biāo)就越好。但在整個(gè)電路中，還要綜合考慮磁性資料在電路中的其余特征，如頻次阻抗特征、居里溫度、磁材的形狀等等。i值不同的各種磁性資料，在不同頻次下的阻抗特征也不同樣，故要依據(jù)所需要的頻次范圍來選取適合i值的磁性資料。圖

6、3所示是不同種類的高i軟磁資料在同樣條件下的頻次與阻抗關(guān)系曲線，該曲線反應(yīng)出電感磁芯的插入消耗變化趨向。其余的性能參數(shù)(如電感值、體電阻等)如表1所列。在圖3中，曲線IV是外國專門用于抗共模擾亂用的電感磁芯(Mn-Zn鐵氧體PC40)所呈現(xiàn)的阻抗特征，曲線是國產(chǎn)鐵氧體(R4KB)的阻抗特征。在低頻段(100Hz10kHz)，因?yàn)橘Y料自己電阻率高，交流等效電阻小，電路中感抗起了主要作用，說明鐵氧體資料在這個(gè)頻段內(nèi)對擾亂信號的克制作用較小。超微晶(曲線)和金屬磁性資料薄膜合金1J851(曲線I)資料因?yàn)橘Y料自己的電阻率比較低，隨頻次增添時(shí)，其渦流消耗也增添，其等效阻抗Z比鐵氧體大得多。在10100

7、kHz的頻段內(nèi)，四種資料的Z都在增添，不過鐵氧體資料的變化斜率要比超微晶(曲線)和金屬磁性資料薄膜合金1J851更陡，說明在這一頻段內(nèi)，它們對擾亂信號的克制都在不停地加強(qiáng)。當(dāng)頻次在100kHz1MHz頻段時(shí)，鐵氧體資料Z急增，而金屬磁性資料和超微晶仍然平穩(wěn)上升，在1MHzl/寸，入口鐵氧體達(dá)到峰值，Z最大，說明在這一頻段內(nèi)，鐵氧體資料對擾亂噪聲的克制成效最好。所以，制造共模濾波器時(shí)所采納的電感資料必定要依據(jù)電路要求的克制頻段范圍來選擇，這是特別重要的。同時(shí)，從表1與圖3所示曲線對照能夠看出，其實(shí)不是電感量越高越好，而應(yīng)試慮它的電參數(shù)，更不可以簡單用增添線圈匝數(shù)的方法來增添電感，因?yàn)檫@樣會(huì)增添高

8、頻寄生電容。當(dāng)前，在大部分狀況下，共模磁芯資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。鎳鋅資料磁芯的特征是其初始磁導(dǎo)率較低，可是它能在很高的頻次時(shí)保持其磁導(dǎo)率不變。因?yàn)殒囦\資料磁芯的初始磁導(dǎo)率較低，所以，它在低頻時(shí)不可以產(chǎn)生足夠高的阻抗，故對低頻5MHz時(shí)，擾亂信號的克制作用較小，因此主要使用在擾亂信號在高頻(大于10MHz)的濾波器中。錳鋅資料磁芯在低頻(50MHz下，特別是10MHz以下)時(shí)有很高的磁導(dǎo)率，有些磁芯的磁導(dǎo)率能超過5000，故適合使用在10kHz50MHz的EMI濾波器中。當(dāng)系統(tǒng)中需要EMI濾波器克制的擾亂信號頻次在10MHz之內(nèi)時(shí)，可采納的共模磁芯資

9、料主假如錳鋅資料的鐵氧體磁芯。差模電感磁芯因?yàn)镋MI濾波器的輸出電流較大，假如使用太高磁導(dǎo)率的資料，將很簡單致使磁飽和，所以，為了適應(yīng)差模抗擾亂濾波器的電感磁芯需要，應(yīng)采納有較高飽和磁感覺強(qiáng)度的磁芯。為提升差模電感的飽和磁感覺強(qiáng)度，能夠采納磁性資料自己就擁有很高飽和磁感覺強(qiáng)度的磁芯(如復(fù)合磁粉芯等);也能夠用在磁芯開氣隙的方法來降低磁導(dǎo)率，以提升磁芯的抗飽和能力(如鐵氧體PC40磁芯等)。但是，在磁芯開氣隙處，除了有很強(qiáng)的交變漏磁場會(huì)惹起新的輻射擾亂外，因?yàn)榇胖律炜s(磁致伸縮效應(yīng)是指磁化使磁資料產(chǎn)活力械應(yīng)變的效應(yīng))，還會(huì)在氣隙處產(chǎn)生新的噪聲和環(huán)境污染，所以，在使用時(shí)要特別注意。當(dāng)前較為理想的差

10、模濾波電感資料是復(fù)合磁粉芯。它是將金屬軟磁粉末經(jīng)絕緣包裹壓制退火而成，相當(dāng)于把一集中的氣隙分別成細(xì)小孔穴平均散布在磁芯中，這樣不只資料的抗飽和強(qiáng)度會(huì)增添，并且磁芯的電阻率也會(huì)比本來增添幾個(gè)數(shù)目級且各向同極性，所以也就改良了金屬磁性資料不可以在高頻下使用的缺點(diǎn)。這也是外國新式差模濾波電感都采納金屬磁粉芯，而愈來愈少使用張口鐵氧體磁芯的原由。圖4所示是Magnetic企業(yè)的SF30與SF70金屬磁粉芯及55930鎳鐵磁粉芯的頻次一阻抗變化曲線。不同磁性能的磁芯，其阻抗與頻次變化是不同樣的。由圖4能夠看出，鐵磁粉芯SF70和鎳鐵磁粉芯55930在擾亂頻次小于2kHz時(shí)，其阻抗很小且基本不變，表示對這

11、一頻段的擾亂信號衰減很小。鐵磁粉芯SF30在小于60kHz時(shí)，對擾亂信號的衰減也很小，但到2MHz附近的汲取則迅速加強(qiáng)，在接近10MHz時(shí)汲取最強(qiáng)，而SF70在100kHz此后曲線的斜率變化不大。由此可見，不同性能的資料對擾亂信號的汲取頻段也不同樣。所以在實(shí)質(zhì)設(shè)計(jì)中，一定依據(jù)實(shí)質(zhì)所需克制的擾亂信號頻段進(jìn)行磁芯資料的選擇。磁性資料的溫度特征選擇電感的磁芯資料不只要考慮其磁特征，還要考慮其溫度特征，包含高低溫下的磁性變化和磁性資料的居里溫度特征。磁芯由鐵磁性(亞鐵磁性或反鐵磁性)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘臏囟确Q為居里溫度。在圖5所示的-T曲線上，80%max與20%max連線與=1的交叉點(diǎn)相對應(yīng)的溫度，即為居

12、里溫度Tc。s因?yàn)榇判圆南氲搅司永餃囟赛c(diǎn)后就失掉磁性。因此此時(shí)將會(huì)對電路產(chǎn)生巨大的傷害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電路，所以磁性資料的工作溫度一定在居里溫度之下。比如：在一些產(chǎn)品中，其工作溫度為-55+125。正常工作時(shí)，因?yàn)殡娐返南臅?huì)致使發(fā)熱，進(jìn)而使磁芯內(nèi)部的溫度高升，此時(shí)磁芯的最高溫度將可能達(dá)到140，所以，選擇的磁性資料的居里溫度一定高于這個(gè)溫度點(diǎn)，并要進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，以留有足夠的余量。往常而言，磁性資料的i值越高，則居里溫度越低;反之i越低，居里溫度越高，所以，要綜合考慮i值和居里溫度來選擇磁性資料。中小功率的EMI濾波器產(chǎn)品中采納最多的磁芯資料是日本TDK企業(yè)的PC40(它是當(dāng)前業(yè)界寬泛使用的較好的資料之一)，它的初始磁導(dǎo)i隨溫度的變化曲線如圖6所示。從圖中可看出，溫度變化對i的影響是很大的，磁芯溫度在90150的區(qū)間內(nèi)，有一段平坦區(qū)，這時(shí)它的i大概在4100左右;當(dāng)溫度低于90后，i值會(huì)跟著溫度的降低而逐漸減小，到0時(shí)，i值只有2000左右，進(jìn)到負(fù)溫區(qū)后，i值還會(huì)進(jìn)一步減小;而當(dāng)溫度高于150后，i值則會(huì)跟著溫度的高升而增添，當(dāng)達(dá)到240時(shí)