濾波電感在電源抗干擾中的應(yīng)用
隨著開關(guān)電源類的數(shù)字電路的普及和發(fā)展，電子設(shè)備輻射和泄漏的電磁波不僅嚴(yán)重干擾其他電子設(shè)備正常工作，導(dǎo)致設(shè)備功能紊亂、傳輸錯(cuò)誤、控制失靈，而且威脅著人類的健康與安全，已成為一種無形污染，并不遜色于水、空氣、噪聲等有形污染的危害。因此降低電子設(shè)備的電磁干擾(EMI)已成為世界電子行業(yè)關(guān)注的問題。為此歐洲共同體有關(guān)EMC委員會(huì)制定有關(guān)法令于1992年1月1日開始實(shí)施，歷時(shí)4年后于1996年1月1日最終生效。該法令指出凡不符合歐洲和國際 EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的產(chǎn)品一律不得進(jìn)入市場銷售，違者重罰，同時(shí)把EMC認(rèn)證和電氣安全認(rèn)證作為一些產(chǎn)品認(rèn)證的首要條件。此舉引起世界電子市場巨大的震動(dòng)， EMC成為影響國際貿(mào)易一個(gè)重要的指標(biāo)。為了與國際接軌，我國也相繼制定了有關(guān)EMC法規(guī)。為此我國多次召開電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)與論證會(huì)，建議自1997年1月 1日起在市場上流通的電子設(shè)備必須制定、設(shè)計(jì)對(duì)無線電干擾的抑制措施，安置抑制元器件，使產(chǎn)生的電磁干擾不超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電平。于2001年1月1日起凡進(jìn)入市場產(chǎn)品必須有EMC標(biāo)志。這是我國電子產(chǎn)品參與國際市場競爭的第一步。
2 抗干擾濾波器特征
抗干擾濾波器與通常的信號(hào)濾波器之間有著概念上的區(qū)別。信號(hào)濾波器是在阻抗匹配的條件下工作，即通過濾波器要保持輸入與輸出信號(hào)振幅不變?yōu)榍疤?，將其中部分頻域作預(yù)期的處理和變換。而EMI濾波器用于抑制進(jìn)入設(shè)備與出自設(shè)備的電磁干擾，具有雙向抑制性。因此這就要求EMI濾波器的端口處與設(shè)備產(chǎn)生最大失配。這樣才能使濾波器對(duì)電磁干擾的衰減等于自身網(wǎng)絡(luò)的衰減再加上輸入和輸出端口所產(chǎn)生的反射，必須遵循如下規(guī)律，見表1。其中Rs為電網(wǎng)輸入阻抗，隨著電量大小而變化；RL是EMI濾波器的輸出阻抗，隨負(fù)載大小而變。
從電學(xué)角度來說只有阻抗不匹配的條件下才能在濾波器內(nèi)產(chǎn)生最大的吸收(或損耗)，用EMC俗語稱之為“濾波器插入損耗”。EMI濾波器主要是消除或降低傳導(dǎo)干擾。實(shí)際上傳導(dǎo)干擾又分為共模干擾和差模干擾，所謂共模干擾是指相線與地線之間干擾信號(hào)的相位相同、電位相等，而差模干擾是相線間干擾信號(hào)相位差 180°(電位相等)。因此濾波電路也分為抗
共模和抗差模干擾電路，參見圖1。
圖中LC1LC2，Cy1Cy2構(gòu)成共模濾波電路，LC1LC2為共模濾波電感，而Ld1Ld2Cx1Cx2構(gòu)成差模電路。共模電感Lc一般數(shù)值 0.3mH～38mH，共模電容Cy，只要控制在漏電電流于<1mA條件下，選擇較大數(shù)值為準(zhǔn)。而差模電感Ld一般在幾十至幾百微亨，其電容應(yīng)選耐壓大于1.4kV的陶瓷或聚酯電容。Ld1Ld2差模電感、電容值越大，低頻效果越好。市場上購買的EMI濾波器大都是對(duì)共模干擾設(shè)計(jì)的，對(duì)差模抑制效果很差。實(shí)際上開關(guān)電源中共模與差模干擾同時(shí)存在，特別對(duì)于有源功率因數(shù)校正電路中差模干擾的強(qiáng)度很大。對(duì)于開關(guān)電源，EMI濾波器對(duì)高頻的EMI信號(hào)抑制比低頻的EMI傳導(dǎo)消除容易得多。常常利用共模電感的差值形成的差模電感就能消除300kHz～30MHz傳導(dǎo)干擾電平。設(shè)計(jì)和選用濾波器一定要根據(jù)電路的實(shí)際需要而定。首先測出傳導(dǎo)干擾電平與所規(guī)定的EMC標(biāo)準(zhǔn)極限比較，一般0.01MHz～0.1MHz是差模干擾起主導(dǎo)作用，0.1MHz～1MHz是差模與共模干擾聯(lián)合作用，而1MHz～30MHz主要是共模干擾起作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來判斷和選擇對(duì)超標(biāo)信號(hào)有抑制作用的濾波器或器件。當(dāng)然實(shí)際操作相當(dāng)復(fù)雜，要有相當(dāng)高的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)。
3 EMI濾波器中電感材料的選擇
降低電子設(shè)備的電磁干擾已成為電子產(chǎn)品是否有市場的關(guān)鍵問題。而軟磁材料已成為EMI濾波器中不可少的元件，并起著舉足輕重的作用。現(xiàn)在用軟磁材料制成的各種抑制EMI元器件廣泛地應(yīng)用于各種電子電路和設(shè)備之中。這是因?yàn)檐洿挪牧暇哂兴?dú)特的性能，致使其在抗電磁干擾領(lǐng)域發(fā)揮主要作用。然而，電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家希望能得到通用EMI濾波器對(duì)所有的電子設(shè)備都能把干擾降低到標(biāo)準(zhǔn)以下，這是不現(xiàn)實(shí)的。EMI濾波器的設(shè)計(jì)要根據(jù)該電子設(shè)備的EMC標(biāo)準(zhǔn)，即需要衰減 EMI信號(hào)的頻段范圍和超標(biāo)電平高低來選擇，特別是其中的軟磁材料。因?yàn)檐洿挪牧戏N類繁多，各有自己的電磁特征。除了基本磁參數(shù)如Bsμi損耗外，還要利用它們的電特性、電阻率、頻寬、阻抗等。根據(jù)所需衰減干擾信號(hào)范圍，確定對(duì)應(yīng)的濾波電路，然后再精心挑選適合于該頻段的磁性材料，濾波電感才能達(dá)到最經(jīng)濟(jì)和最佳效果。想用一種材料滿足各種抗干擾濾波器是不能達(dá)到預(yù)期效果的，必需選用適合該頻段的磁性材料。從材料的觀點(diǎn)看，EMI濾波器的作用是阻隔不需要的信號(hào)并以發(fā)熱的形式消耗掉，而讓需要的信號(hào)無衰減或幾乎不衰減地通過。值得指出的是以發(fā)熱形式所消耗掉的能量并不是指線圈在電流作用下的焦耳熱（即 I2R）。故在繞制線圈時(shí)一定要選用足夠大線徑的銅線，盡量減少這種能量的損耗。從電學(xué)觀點(diǎn)可把濾波器中帶有磁性材料的電感在頻率較低時(shí)等效為純電感L和純電阻R的串聯(lián)，其阻抗Z=R＋jωL。對(duì)于平均直徑為D的圓環(huán)，根據(jù)安培定律和電磁感應(yīng)定律可得到：
e=N1S·dB/dt
H=N1I/l
式中N1，I——為環(huán)形磁芯上激磁線圈匝數(shù)和電流；
S——磁芯截面積；
l——平均磁路長度（πD）。
用相量表示為：
式中μ=μ′－jμ″
磁芯在低頻時(shí)可等效為：Z=R＋jωL=E/Im
代入上式
于是可以得到:
通過上式把磁學(xué)參數(shù)與電學(xué)參數(shù)直接聯(lián)系起來。它表示磁性材料的磁性參數(shù)在電路中充當(dāng)?shù)慕巧Ｊ?1)表述電路中的電感直接與磁材料的彈性磁導(dǎo)率μ′有關(guān)，表示器件的儲(chǔ)能大小與頻率無關(guān)的純電感性。而電路中電阻R與磁性材料復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的虛數(shù)部分μ″有關(guān)。式(2)則既與材料的渦流損耗、磁滯損耗及剩余損耗等有關(guān)，并且與頻率也有關(guān)。反映在電學(xué)上就相當(dāng)于等效電阻R。最后都轉(zhuǎn)變成器件的熱能散發(fā)到空間，而EMI濾波器中的電感能夠?yàn)V去干擾信號(hào)就是利用了磁性材料的這一特征。從另一個(gè)角度看，EMI濾波電感發(fā)熱是正常的，只要不影響電路的正常工作就行了。圖2是濾波器電感在串聯(lián)等效電路中R與頻率關(guān)系曲線。相當(dāng)于電感的插入損耗曲線。在低頻段即f〈f1時(shí)，電感在電路中阻抗R小得可以不計(jì)，電流風(fēng)乎無損耗的流過。在此階段電感磁世間本身耗能很少，主要是線圈發(fā)熱為主（I2R）。只有大電流工作環(huán)境下才考慮這一部分能量轉(zhuǎn)換的熱量。如在大功率晶閘管調(diào)光燈電路中的抗干擾電感，因?yàn)殡娏鞲哌_(dá)20A～50A，甚至更高，即使線繞電阻很小，但能量與電流的平方成正比，所以線圈的發(fā)熱量很大。這時(shí)只有增加銅線的線徑（單股或多股），才可使線圈溫度大幅度下降。當(dāng)頻率在f1～fc頻段時(shí)，由陰抗曲線可以看出等效電阻R隨頻率提高而逐漸增大。這說明電路電感儲(chǔ)能的功能隨頻率的升高而降低，損耗隨頻率而增加。在fc點(diǎn)附近等效電阻R迅速增加，從磁學(xué)的觀點(diǎn)看，磁性材料吸收了電路中的高頻能量轉(zhuǎn)變成材料內(nèi)部損耗，如磁疇壁的運(yùn)動(dòng)及其引起的微渦流效應(yīng)等微觀損耗。在fc點(diǎn)附近不再具有貯能作用。而fc的高低與磁性材料性能有關(guān)。一般來說鐵氧體材料fc高，金屬磁性材料fc；較低。但對(duì)同一種材料可改變制作工藝材料的成分，人為地調(diào)節(jié)fc的高低。當(dāng)頻率超過fc以后阻抗開始下降，而到f2時(shí)雙出現(xiàn)小的峰值，這是在高頻下寄生電容Cw引起的諧振吸收。這個(gè)峰值的頻率高低與電感分布參數(shù)有關(guān)，與材料的性能關(guān)系不大。實(shí)際上EMI濾波電感的抗干擾作用就是利用磁性材料這個(gè)特征。
?。?）共模濾波電感材料的選擇共模電感線圈如圖1中Lc1Lc2是繞在磁環(huán)上的兩只獨(dú)立的線圈，所繞圈數(shù)相同，繞向相反。使EMI濾波器接入電路后，兩只線圈產(chǎn)生的磁通在磁芯中相互抵消，不會(huì)使磁芯飽和。由于干擾信號(hào)比較弱，所以磁芯一般工作在低磁場的區(qū)域，選用磁性材料要求具有較高的初始磁導(dǎo)率μ0的材料做共模濾波電感。但也不是初始磁導(dǎo)率愈高愈好，還要考慮磁性材料在電路中的電特性。為了說明，下面選擇不同類型高μ0的軟磁材料在同樣條件下測其頻率與阻抗關(guān)系曲線，反映出電感磁芯的插入損耗變化趨勢，其性能如表2及圖3所示。
曲線IV是外國專門用于抗共模干擾用的電感磁芯（Mn－Zn鐵氧體），與國產(chǎn)鐵氧體相比較，在低頻段100Hz～10000Hz，由于材料本身電阻率高，交流等效電阻小，說明在這個(gè)頻段干擾信號(hào)損耗很小，電流中主要以感抗起主要作用，可見鐵氧體材料對(duì)低頻干擾信號(hào)沒有一點(diǎn)抑制作用，而超微晶和1J851材料由于材料電阻率比較低，隨頻率的增加損耗也增加，可以看出磁芯渦流損耗引起的等效電阻R比鐵氧體大得多。在10kHz～100kHz的頻段R不斷增加，對(duì)該頻段的干擾信號(hào)的抑制也不斷增強(qiáng)，其中1J851和超微晶材料對(duì)干擾信號(hào)抑制衰減最大而鐵氧體則很小。這對(duì)于線性濾波器來說，工作頻率在 50Hz～60Hz或400Hz～800Hz的電源要消除或衰減頻率小于10kHz的干擾信號(hào)，最好選用金屬磁性材料（或非晶超微晶)。而鐵氧體在這個(gè)頻段對(duì)干擾信號(hào)的吸收顯然沒有金屬磁性材料好。當(dāng)在頻段100kHz～1MHz附近，鐵氧體材料R急增而金屬磁性材料和超微晶仍然平穩(wěn)上升，在1MHz時(shí)進(jìn)口鐵氧體達(dá)到峰值，R最大，1J851次之。而國產(chǎn)鐵氧體居第3位超微晶其峰值則在7MHz附近，變化卻比較平緩。從曲線變化可以看出鐵氧體雖然吸收的峰值在1MHz附近，但吸收區(qū)比較狹窄，而金屬磁性材料吸收區(qū)比較寬，故不同材料對(duì)不同頻率的吸收敏感性不一樣。所以制造共模濾波器時(shí)選用的電感材料一定要根據(jù)電路要求的抑制頻段范圍來選擇電感材料，這是非常重要的。同時(shí)從表2與圖3曲線對(duì)比說明并不是電感量越高越好，而應(yīng)考慮它的電參數(shù)，更不能用增加線圈匝數(shù)來增加電感。因?yàn)檫@樣會(huì)增加高頻寄生電容。
（2）差模濾波電感材料的選擇與共模濾波電感完全不同，因?yàn)殡姼信c負(fù)載是串聯(lián)，輸入電流或輸出電流直接通過電感磁芯，其交流（直流）電流很大，當(dāng)然不能用高磁導(dǎo)率的材料。為了適應(yīng)差模抗干擾濾波器的電感磁芯的需要，最初采用鐵氧體或金屬磁性材料開氣隙增加退磁場方法，降低磁導(dǎo)率，增加磁芯抗飽和能力。但這對(duì)用于電源輸入端的交變電流抗干擾濾波顯然是很不恰當(dāng)?shù)?。不僅在開氣隙處有很強(qiáng)的交變漏磁場引起的很大輻射干擾外，還在氣隙斷口處產(chǎn)生局部的損耗而發(fā)熱，導(dǎo)致鐵氧體磁性惡化甚至消失。因?yàn)殍F氧體居里溫度為200℃，在此溫度附近μ0降低至零，此時(shí)已失去濾波作用。再者由于磁致伸縮在氣隙處產(chǎn)生新的機(jī)械噪聲，污染環(huán)境。為此人們采用新穎的復(fù)合磁粉芯。這是目前最理想的濾波電感材料，它是將金屬軟磁粉末經(jīng)絕緣包裹壓制退火而成，它相當(dāng)于把一集中的氣隙分散成微小孔穴均勻分布在磁芯中，不但材料的抗飽和強(qiáng)度增加，而且磁芯的電阻率比原來增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)且各向同性，改變了金屬磁性材料不能在高頻下使用的缺點(diǎn)。這就是在國外所有差模濾波電感都是用磁粉芯，而不用開口鐵氧體磁芯的原因。
這里選取各種性能的磁粉芯測量頻率－阻抗變化曲線（見圖4）。
圖中的變化曲線表現(xiàn)出不同磁性能的電感，其阻抗與頻率變化并不一樣。鐵粉芯SF70和55930在干擾頻率<2kHz時(shí)阻抗基本不變，表示沒有吸收作用，而SF30在小于60kHz時(shí)對(duì)信號(hào)也沒有吸收作用。在2MHz附近吸收迅速增強(qiáng)，在接近10MHz時(shí)吸收最強(qiáng)，而SF70在100kHz以后變化不大。可見不同性能的材料對(duì)干擾信號(hào)的吸收頻段也不一樣。國內(nèi)外大量使用的電子調(diào)光設(shè)備大都采用移相式晶閘管調(diào)光。在晶閘管導(dǎo)通瞬間因電流突變會(huì)產(chǎn)生大量的高頻諧波而引起的電磁干擾，不單嚴(yán)重影響音響設(shè)備、燈具、攝錄像等設(shè)備，還嚴(yán)重干擾電網(wǎng)系統(tǒng)。必須安裝抗干擾電感（美國LeeColorTran英國 Lank日本龍?zhí)锷鏡DS都采用這樣方式來抑制干擾）。為方便起見，采用分析電流上升時(shí)間tr來判斷電感磁芯的抗干擾程度。不同材料的數(shù)據(jù)如表3所示。
在調(diào)光燈的工業(yè)檢測中抑制干擾的效果可以用電子調(diào)光器開通時(shí)的電流上升時(shí)間tr來表示。上升時(shí)間越長說明電路高次諧波成分越小，抑制效果越好。從表中不難看出國產(chǎn)ZW－1電感tr時(shí)間可高達(dá)450μs而磁導(dǎo)率只有70。開口非晶帶磁芯雖然磁導(dǎo)率最高（μe=800），但電流上升時(shí)間太短只有100μs，而又有嚴(yán)重的機(jī)械噪聲。這說明加電感后抗干擾能力并不是磁導(dǎo)率高的好，也不是磁導(dǎo)率低的好，而與選用的磁性材料材質(zhì)有關(guān)。為了進(jìn)一步分析，對(duì)不同材料在同樣條件下測量其干擾電壓，圖5是英國Lank，國產(chǎn)ZW－1磁粉芯和通常開口磁芯的電源端干擾電壓與頻率曲線。
按照“電子調(diào)光設(shè)備無線電干擾允許值及測量方法”測量結(jié)果，不難看出國產(chǎn)ZW－1電感與英國Lank電感相比較，國產(chǎn)ZW－1電感抗干擾電平都在A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以下，而英國Lank電感在0.16MHz～3.5MHz頻段超標(biāo)，而開口硅鋼片制作的抗干擾電感在頻段0.01MHz－1.2MHz都超標(biāo)。用開口磁芯做抗干擾電感不可能達(dá)標(biāo)。目前國內(nèi)的調(diào)光燈大多數(shù)都用鐵氧體磁環(huán)做抗干擾電感，這顯然是錯(cuò)誤的。不但沒有抑制干擾反而增加干擾，因?yàn)殍F氧體總是工作在飽和區(qū)。
圖6是程控交換機(jī)用的100A抗干擾濾波器衰減曲線。抗干擾衰減曲線I是進(jìn)口同類濾波器，其干擾電平曲線在0.01MHz～100MHz范圍內(nèi)干擾電平的衰減比較均勻平緩。曲線II用開口鐵氧體做濾波器，當(dāng)頻率為0.4MHz～0.8MHz時(shí)的峰值說明對(duì)該頻段的干擾信號(hào)衰減小，達(dá)不到要求。后來用美國 Micrometals公司鐵粉芯代替，則在0.2MHz～0.45MHz 頻段抗干擾能力弱（如曲線III）但要比開口鐵氧體好些，仍不理想。因?yàn)閷?duì)通訊電源最傷腦筋的是低頻干擾。后來用專門研制的磁粉芯做成的濾波器干擾電平如曲線IV，要比曲線II、III都好，甚至優(yōu)于國外同類濾波器性能。從以上的例子可以看出在研制EMI濾波器時(shí)要特別注意濾波電感選擇。不但要選用適當(dāng)?shù)拇挪模€要選用適合于所需衰減頻段的磁性能。所以磁性材料的選取在EMI濾波器中有著舉足輕重的作用。
4 抗干擾濾波器的發(fā)展趨勢
當(dāng)前電子線路向高速數(shù)字電路轉(zhuǎn)移。高組裝密度和高運(yùn)算速度對(duì)EMC提出更高的要求。電子產(chǎn)品的微型化、多功能、移動(dòng)化的發(fā)展又促使電子產(chǎn)品在組裝方式上向表面貼裝技術(shù)轉(zhuǎn)移，又進(jìn)一步降低干擾。同時(shí)為了提高其動(dòng)態(tài)響應(yīng)，降低干擾，必須力求減小供電母線的引線電感。最有效的方法是將電源直接裝在負(fù)載附近，用分散供電方式（即小功率源)而不采用集中供電的形式（大功率源），這樣大大減少引線的長度有效降低輻射干擾。所以今后幾年美國將大力發(fā)展小功率 16W～25W低壓（輸出電壓最低為1.2V）DC/DC開關(guān)電源?？梢?，片式磁性器件是微型化的關(guān)鍵材料之一，它可分為線繞型片式電感、疊層型片式電感、薄膜型片式電感。為此上海鋼鐵研究所已開始著手金屬薄膜電感和薄膜變壓器元件的研制。目前美國和日本的一些重要研究所都開始研究薄膜電感和薄膜變壓器，并與集成元件組合制成新穎的超小型、高可靠性、高抗干擾能力的電源模塊。由此可見超小型電感和變壓器將是21世紀(jì)磁性元件的發(fā)展方向。
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