磁性材料在EMI滤波器中的应用

liyf

                    ???? 摘要：磁性材料是EMI滤波器的关键材料。文章简单介绍了EMI滤波器所用磁性材料的特点，详细分析了共模滤波电感和差模滤波电感所用磁芯的基本特性，给出了共模滤波电感磁芯和差模滤波电感磁芯的温度特性。
　　0 引言
　　开关电源一般都采用脉冲宽度调制(PWM)技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。然而，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程虽然能完成正常的能源传递，但却是一种电磁骚扰源。它产生的EMI信号有很宽的频率范围，又有较高的幅度，因而会严重影响其他电子设备的正常工作。
　　1 EMI滤波电路
　　开关电源的开关频率及其谐波的主要表现是电源线上的干扰，称之为传导干扰。传导干扰分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是由载流导体与大地之间的电位差产生的，其特点是两条线上的干扰信号电压是同电位同相的；而差模干扰则是由载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的干扰信号电位相同，但相位相反。事实上，针对不同的干扰信号，EMI滤波电路也分为抗共模干扰滤波电路和抗差模干扰滤波电路，图1所示是其滤波电路。




　　共模电感线圈如图l中Lcl，Lc2是绕在一只磁芯上的两组独立的线圈，所绕圈数相同，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相互抵消，故不会使磁芯饱和。对于干扰信号而言，共模磁芯一般工作在低磁场区域，所以，共模滤波电感选用的磁性材料要求具有较高的初始磁导率μi。如果只针对滤波器的插入损耗这一指标，则初始磁导率μi越高，滤波电路呈现的感抗就越大，所得到的插入损耗指标就越好。但在整个电路中，还要综合考虑磁性材料在电路中的其它特性，如频率阻抗特性、居里温度、磁材的形状等等。μi值不同的各种磁性材料，在不同频率下的阻抗特性也不一样，故要根据所需要的频率范围来选取合适μi值的磁性材料。图3所示是不同类型的高μi软磁材料在同样条件下的频率与阻抗关系曲线，该曲线反映出电感磁芯的插入损耗变化趋势。其它的性能参数(如电感值、体电阻等)如表1所列。




　　图4所示是Magnetic公司的SF30与SF70金属磁粉芯及55930镍铁磁粉芯的频率一阻抗变化曲线。不同磁性能的磁芯，其阻抗与频率变化是不一样的。由图4可以看出，铁磁粉芯SF70和镍铁磁粉芯55930在干扰频率小于2 kHz时，其阻抗很小且基本不变，表示对这一频段的干扰信号衰减很小。铁磁粉芯SF30在小于60 kHz时，对干扰信号的衰减也很小，但到2 MHz附近的吸收则迅速增强，在接近10 MHz时吸收最强，而SF70在100kHz以后曲线的斜率变化不大。由此可见，不同性能的材料对干扰信号的吸收频段也不一样。因此在实际设计中，必须根据实际所需抑制的干扰信号频段进行磁芯材料的选择。
　　4 磁性材料的温度特性
　　选择电感的磁芯材料不但要考虑其磁特性，还要考虑其温度特性，包括高低温下的磁性变化和磁性材料的居里温度特性。磁芯由铁磁性(亚铁磁性或反铁磁性)转变成顺磁性的温度称为居里温度。在图5所示的μ-T曲线上，80％μmax与20％μmax连线与μ=1的交叉点相对应的温度，即为居里温度Tc。




　　5 结束语
　　对于许多类型的电子系统，EMI是个较为棘手的问题。随着开关电源的不断小型化和高频化，相应的EMI滤波器也在不断改进和发展，以适应开关电源不断发展的需要。EMI滤波器的改进和发展需要磁性材料的支撑，相信磁性材料的性能改进，一定会对EMI滤波器乃至整机系统实现较好的电磁兼容环境带来更大的帮助。