1
                      抗傳導EMI濾波器及其軟磁鐵氧體

                       1 引言
                      抑制電磁干擾基本方式有:第一種,屏蔽或吸收—用電磁波吸收材料或屏蔽材料把導體、元器件或電路設備從散射的電磁場中隔離;第二種,濾波—用鐵氧體電感與容性元件連接組成LC低通濾波器,衰減掉高頻干擾信號;第三種,穿心電感—用鐵氧體磁環(珠、通)單獨套在其它元件的引線或電纜上,防止各種寄生振蕩、衰減拾得的或傳輸的干擾信號。
                      功能要求:1. 電磁波能量會有效進入到電波吸收體材料內(減少反射能力);2. 進入到電波吸收體材料內能量可快速、完全被衰減掉(電磁損耗材料、歐姆損耗材料、介電損耗材料、磁損耗材料)。
                      第二、第三種方法為抗傳導干擾,占多數案俐,本文就此應用的鐵氧體材料選擇做一論述。
                      2 鐵氧體磁環抗EMI的工作原理
                      2.1 鐵氧體磁環的復數阻抗
                      眾所周知,鐵氧體在交變磁場下使用時,其磁導率可用復數表示:
                      μ=μ’- jμ"
                      式中實部μ’表示磁性材料的能量儲存,它構成磁心器件的電感,虛部μ"對應于磁損耗。損耗角正切為tgδ=μ"/μ’,損耗因數為tgδ/μi,表示磁性材料中的損耗。它們都是頻率的函數,隨頻率變化而變化。
                      若將磁導率為μ的鐵氧體插人電感量為L0的線圈中(假設線圈無損耗),則該線圈的復數阻抗Z可表示為:
                      Z=jωL0 μ=jωL0(μ’-jμ")=ωL0 μ"+ jωL0 μ’=R+Jx
                      式中,R等效于電阻:R=ωL0 μ"
                          X等效于電抗:X=ωL0 μ’      

                      ω為角頻率:ω=2πf
                      作為器件磁芯的阻抗,
                      z=Kωμ"+ jKωμ’
                      式中,k為系數,與磁芯尺寸、繞線匝數、形狀有關。
                      R與X當然亦部是頻率的函數,隨著頻率增高而迅速變大。鐵氧體磁心作為抗EM1元件使用時,因工作信號頻率與EMI頻率相距甚遠,低頻端阻抗小,不影響工作信號通過,而EMI信號處在高頻段,鐵氧體磁心此時呈高阻抗,其中電抗部分x可儲存EM1信號的能量,通過旁路電容將其釋放掉,抑制該處的EMI信號,但不能完全消除或吸收,仍可能對電路工作形成干擾;電阻部分R則將EMI信號的能量變成熱能,消耗散發掉。從而起到抑制、消除EM1的功能。
                      2.2 鐵氧體磁心的插人損耗
                      鐵氧體磁心作為抑制EMI元件應用時,都是和信號系統、負載串聯使用,等效電路如圖1所示。圖中Z為鐵氧體磁心的阻抗。ZS和ZL分別為源阻抗和負載阻抗。使用鐵氧體元件后,EMI信號衰減(即插入損耗)可按下式計算:
                      IL=20LOg(ZS+ZL+Z)/(Zs+Z)db
                      2.3 鐵氧體磁心的阻抗頻率特性
                      眾所周知,鐵氧體磁心的材料成分,制造工藝不同,其磁性能就不同,因此它們的阻抗頻譜特性也不同。將四種磁芯的阻抗頻譜示于圖2(a)、(b)。阻抗頻譜系用HP4191A阻抗分析儀進行測試的。由圖可見,四種磁芯的R、X都隨頻率的增高而增大,呈現出高阻抗的特性,但它們的高阻抗特性所處的頻段各個相同,x=R的諧振頻率點f0也各不相同。若以f0作為抗EMI鐵氧體磁心阻抗頻譜特性的頻率表征值,再將它們在100kHz下測得的μi值相對應,結果如表1所示。
                      表 1  四種鐵氧體磁心的μi與f0
                      鐵氧體磁心編號 μi(100kHz) f0(X=R時)/MHz
                      1 3025 1.2
                      2 2050 2.8
                      3 517 21.5
                      4 143 66.5

                      2.4 鐵氧體磁環尺寸與阻抗的關系
                      鐵氧體磁環的阻抗值與其體積有關,通常體積大者阻抗高。為了適合各種場合的使用,不僅開發了多種適用的鐵氧體材料,而且開發了多種形狀的磁芯,同一種形狀,也有多種尺寸,規格繁多。將其一例同種材料,相同內、外徑,磁芯長度與阻抗的關系示于圖3。
                      2.5 抗EMI磁環在計算機上或照明電器上的應用效果
                      計算機上或照明電器上出現的電磁干擾有傳導干擾和輻射干擾,其來源既有機外來的也有機器本身各部分電路產生的,欲抑制或消除這些干擾以達到相應類EMC標準要求,就要針對性地采取各種措施才能收到成效。為此人們從元器件、印制電路基板、電路構成、機殼屏蔽結構以及各種導電、絕緣、吸收材料多方位地進行深入開發研究,已取得顯著效果。鐵氧體磁心則主要在抑制各部位信號傳輸線路的電磁干擾方面發揮重要作用,當然同時起到降低EMI通過傳輸線向空間發射輻射干擾的作用。
                      將具有No3材料阻抗特性的磁桶Φ18mm×Φ10mm ×12mm夾合形(帶有強塑外殼)磁心應用于計算機信號電纜連接線上,在EMC測試系統對比測試其EMI電平的頻譜特性,結果見圖4和圖5。圖4為未加鐵氧體磁心的曲線,圖5是加了鐵氧體磁心的曲線。由圖5可見,在圖4 中15MHz-20MHz附近出現的超出標準的EMI電平明顯受到抑制,衰減量為5-10dB。這樣,該臺計算機順利達到了EMC標準要求。
                      3 鐵氧體材料與EMI濾波器的選擇
                      3.1 鐵氧體材料選擇
                      軍用計算機和通信領域早在1980年代就很重視抗EMI問題,并付于實施。1990年代世界各大鐵氧體磁心生產廠家就開始開發建立高阻抗系列材料。但在燈用電器上一直不重視,自2003年起國家強制執行3C認證開始,各企業才真實地作這方面的工作。材料的選擇是個大問題,我在1997年的文章中提供了這方面的數據和方法。見表2:
                      表 2  軟磁材料與其抗EMI頻段
                       65 61 64 43 77 72 75
                      μi 100 125 250 850 2000 2500 5000
                      μmax 370 450 375 3000 6000 4000 8000
                      B10/Gs 2150 2350 2200 2750 4600 4000 3900
                      Tc/℃ 400 350 210 130 200 160 160
                      ρ/Ωcm 1*108 1*108 1*108 1*105 1*102 1*102 5*102
                      Hc/Oe 2.35 1.60 1.40 0.30 0.22 0.18 0.16
                      抑制頻段/MHz >200 >200 >200 40-200 40 <40 <40

                      由表2可知,磁導率高的材料抑制頻率低。但在小于40MHz頻率范圍內又如何選擇呢?
                      Snoek先生1948年給出了截止頻率的公式fc(μ-1)=4/3γM,γ為自旋磁矩比率,1980年Watson先生經過大量軟磁鐵氧體頻譜曲線的計算,拓展了截止頻率的公式fcμi=3×109Hz。根據此公式我們可以得到表3數據。
                      表 3  軟磁鐵氧體材料初始磁導率與截止頻率的關系
                      μi 2000 7500 10000 12000 15000
                      fc (kHz) 1500 400 300 250 200

                      軟磁鐵氧體材料的截止頻率點就是材料的吸波點,在這點軟磁鐵氧體材料由感抗特性轉為阻抗特性。
                      3.2 EMI濾波器的設計與選擇
                      EMI濾波器依照其抑制或吸收傳導干擾的工作原理不同之處,可以分為吸收式EMI濾波器以及組合式EMI濾波器2種,分別概述如下:
                      吸收式EMI濾波器
                      吸收式抗EMI濾波器在結構上相當于一個繞線或穿心的磁心線圈,這類濾波器主要是利用磁性材料的阻抗頻率特性來達到抑制EMI的目的,由于磁心線圈在高頻段時的阻抗遠大于其在低頻段的阻抗,為了達到最佳的干擾濾除效果,吸收式抗EMI濾波器在干擾的中心頻段具有最大的阻抗值,而濾波器阻抗的峰值頻率點一般來說會與磁性材料的截止頻率成正比,即與磁性材料的起始磁導率成反比。因此,為了滿足濾除不同頻段電磁干擾的要求,用于吸收式抗EMI濾波器的材料必須加以系列化。對于不同的抗EMI材料具有不同的阻抗峰值頻率點,分別針對濾除不同頻段的干擾。
                      吸收式抗EMI濾波器按其具體用途可分為小訊號濾波器、中間(intermediate)濾波器和電源濾波器三大類。
                      (1)小訊號濾波器主要用于吸收多股并行訊號傳輸在線附加的干擾,如交換機數據聯機、計算機主機與監視器之間的纜線、主機與磁盤驅動器排線干擾等等。此類濾波器一般制作成多孔平板狀或扁平盒狀,每條訊號線相當于都通過了1個單匝的磁心。對于不同的干擾頻段,要求濾波器具有不同的阻抗峰值頻率點,這可通過選擇不同的材料來實現,而阻抗的大小則主要由磁心的長度來控制。
                      (2)中間濾波器的安置必需要先得知電路上何種組件為干擾源,如晶體管或者是MOSFET所引起的過沖現象時,便可將濾波器直接安置于該干擾組件的接腳上。如果干擾源不易確定,但是干擾傳輸路徑明確,此時便可將濾波器設置于該特定電路上。扼流線圈也是屬于此種濾波器,一般為環形外觀,可讓所有可能產生干擾的線路都穿過或環繞在磁心上。扼流線圈的優點是具有極寬的頻帶及阻抗,但是要配置扼流線圈,就必需要注意各線路之間的絕緣以及電容數量。
                      (3)共模扼流線圈。在電源濾波組件方面,由于其線路上通過的電流較大,所以要注意磁心的負載問題。此類濾波器包含了交換式電源中應用的共模扼流線圈、電源線路扼流線圈等。對于電源線路上專門的差模扼流圈,由于承受的偏置電流大,目前最理想的材料是選擇復合磁粉芯,它是將金屬軟性磁粉經絕緣包裹壓制回火而成,不但材料的抗飽和強度增大,而且磁心的電阻率比起單純的金屬軟磁材料增大了幾數倍,因此可以應用在較高的頻段內。雖然磁粉芯的起始磁導率不是很高,但是可透過增加匝數的方式來獲得高阻抗能力。共模扼流圈通常繞在高導磁率鐵氧體芯上,其通常電感值為15mH~20mH。
                      組合式EMI濾波器
                      組合式抗EMI濾波器又稱為反射式濾波器或復合LC型濾波器,根據在交流狀態下電容的通高頻阻低頻、電感的通低頻阻高頻的特性,將電感和電容組合連接成電路,使其具有一定的濾波功能。而根據濾波程度的要求不同,選用的LC組合及對電感和電容值的要求也不同。
                      由于組合式濾波器容易在高頻率時受到電感、電容的參數影響,有可能會導致諧振現象,使濾波器的濾波性能大幅下降。因此組合式EMI濾波器一般只適用于抑制頻率相對較低的干擾。不過因為其濾波效果可以由調整電感電容值參數來改變,只要調整得宜,組合式EMI濾波能夠產生更佳的濾波效果,且頻段變化也將更靈活。一般來說,在特定的應用中,吸收式EMI濾波器與與組合式EMI濾波器也能夠串聯搭配使用。
                      EMI濾波器的設計方式
                      EMI噪訊包含共模(CM)噪訊和差模(DM)噪訊兩種。共模噪訊存在于所有交流相線和共模接地之間,其產生來源被認為是二電氣回路之間絕緣泄漏電流以及電磁場耦合等;差模噪訊存在于交流相線之間,產生來源是電流脈沖,交換組件的響鈴電流以及二極管的反向恢復特性。這二種模式的傳導噪訊來源不同,傳導途徑也不同,因而共模濾波器和差模濾波器應當分別設計。
                      在一般常見的交換式電源中,由于主要的EMI干擾源來多自于功率半導體組件的切換動作,因此產生的電磁發射EME (Electromagnetic Emission)通常是寬帶的噪訊,其頻率范圍從交換工作頻率到幾MHz。所以,傳導型電磁環境(EME)的測量頻率范圍0.15MHz~30MHz,藉以符合國際標準的規范。設計EMI濾波器,就是要對交換頻率及其高次諧波的噪訊給予足夠的衰減?;谏鲜鰳藴?,通常情況下只要考慮將頻率高于 150kHz的EME衰減至合理范圍內即可。
                      一般應用于數字處理領域的低通濾波器同樣適用于電子電力裝置中,換言之,EMI濾波器的使用主要是為了滿足幾個需求,這些需求包括了規定要求的阻帶頻率以及阻帶衰減、降低對電源線路的的頻率衰減、低成本以及符合一般低通濾波器的模型。EMI濾波器通常置于交換式電源與電網相連的前端,是由串聯電抗器和并聯電容器組成的低通濾波器。
                      EMI濾波器的主要技術參數有:額定電壓、額定電流、漏電流、測試電壓、絕緣電阻、直流電阻、使用溫度范圍、工作溫升Tr、插入損耗Adb、外形尺寸、重量等。上述參數中最重要的是插入損耗(亦稱插入衰減),它是評價一款電磁干擾濾波器性能優劣的主要指針。
                      EMI 濾波器之設計,首先必須獲得濾波器所需提供的噪聲衰減量,此可利用各種噪聲分離器分別量測出待測物在未加任何濾波器組件下之共模和差模原始噪聲。接著利用上述所得結果,計算出所需的濾波器組件值,然后將整個設計好的濾波器加在待測物電源輸入的最前端,并量測檢查此時的噪聲是否符合規范。以下就濾波器設計之步驟作介紹:
                      1) 量測原始共模和差模噪訊:噪聲由電源傳輸阻抗穩定網絡(LISN)取出以后,經過噪聲分離器(Noise separator)可得到想要的噪聲值,便可以頻譜分析儀(Spectrum analyzer)來進行量測。
                      2) 計算衰減量:當取得共?;虿钅T胗嵙恐?,便要計算相關的噪訊衰減量,考慮到共模噪訊與差模噪訊,被衰減至規范標準時,有可能發生相位相同或相位相差而使得火線和中性線之總電壓噪聲大小超過規范的情況。為了避免這種情形發生,在計算衰減量時可先將標準設定于比規范限制小6dB之處,亦即使噪聲抑制之要求更為嚴格,以避免濾波后噪聲大小仍舊會超過規范限制。
                      3) 計算濾波器組件值:濾波器組件之電感、電容值愈大,則其對噪聲之衰減能力愈強,且可達到之轉折頻率愈低,對低頻噪聲之抑制效果愈佳,但相對地必須付出成本、體積增加的代價。由材料特性可知,當電感、電容之值愈大時,組件阻抗特性的自共振頻率愈低,可持續衰減噪聲之頻率范圍相對變窄,因此其值不可無限制增大??紤]電容值對體積的變化率較電感值來得小,而且市售之電容器都有固定之容值,較缺乏彈性,所以在決定共模和差模濾波器的組件值時,應該要優先考慮電容,在安規限制許可下,盡量選用較大的容值。
                      實際執行設計時的重點
                      理論上來說,在電路設計階段時,便要盡可能靠本身的布線設計來消除EMI噪訊,EMI濾波器的加入主要是為了消除在線路設計中所無法避免的EMI噪訊,而非降低線路設計流程復雜度的武器,當然,產品設計有其時間壓力,設計者無可避免的會依賴現有的工具來降低設計階段的時間損耗,過渡依賴濾波器的話,可能會產生不少糟糕的設計,比如說過長的接地線、錯誤的濾波器配置等等。
                      如果工程師具有系統設計經驗,通常會在開始設計時就把電源線路EMI濾波器包含在電路中,而不是等到設計結束,卻未能透過EMI測試時,才試圖把濾波器擠進原有的布線當中。如果他們的設計建立在原有的設計基礎上,那么所需要的濾波器功能可能便可以直接從過去的設計中沿用下來。但要是涉及不同類型高頻交換電路和較高工作頻率的全新設計,那么可能會面臨需要分析的新的EMI問題。在一般的情況之下,設計者會了解這些EMI具有差模還是共模傳導發射,并且實地進行測試,藉此了解在特定頻率范圍內需要達到多少衰減。
                      4 鐵氧體器件制作工藝對磁性能的影響
                      鐵氧體材料的EMI濾波器電感和高頻變壓器因其材料對應力的敏感性,制作過程中固定材料或密封材料對鐵氧體磁心性能的影響我在1988年《磁性材料與器件》第3期上有過論述,再次顯示有關數據。
                      灌封后磁滯回線也變粗,變矮了,也就是Hc變大、Bs變小了。
                      經過探討試驗,調整環氧和固化劑的匹配、填充物的配比,找到一個較為合適灌封材料,其結果如表6。
                      其灌封前后磁滯回線基本重合,達到要求。
                      磁心固定對于LCR振蕩回路中的電感器來說,是保證其電感值長期不變,保證振蕩頻率長期不變,保證燈亮度長期不變,保證節能燈電子鎮流器壽命的關鍵。
                      目前大部分廠家還是用塑料膠帶、浸漆、卡夾,都不合適不科學,不能長期保證磁心線圈電感值不變或變化很小。塑料膠帶受熱膨脹后不會回復,絕緣漆受熱膨脹干后與磁心分離,卡夾的彈性力不一致。
                      線包、線架浸絕緣漆,磁心之間采用與鐵氧體材料熱膨脹系數相近的凝固膠為好。這樣才能保證材料的正確選擇、EMI濾波器的正確設計后得到預期的抗EMI效果。
                      5 結束語
                      一個完整的電路,在實現主要功能的同時,還必須保證各器件之間互相不干擾,整個電路不受電網干擾、也不干擾電網和其它電子設備,這樣才具備兼容性、實用性。選擇好EMI濾波器,選擇好濾波器所用鐵氧體磁環、磁心形狀尺寸和加工工藝,才能真正達到設計要求和使用效果。

                      參考文獻
                      [1] E.Roess p.129.1 in[2]
                      [2] B.S.,A.M.,Ph.D.Handbook of moden ferromagnetic materials,p.65
                      [3] 須棟,等.[J]磁性材料及器件1988,(3)p.8-11
                      [4] 須棟,等。[J]計算機工程1999,10
                      [5] 林宗輝《國際電子變壓器》2008年03月刊
                      [6] 劉九皋,商機無限的EMI材料,2010,8


                      分享到:

                      關于我們 | 招賢納士 | 合作伙伴 | 友情鏈接 | 法律聲明 | 隱私權聲明 | 在線留言
                      Copyright © ,太倉市科翔電子有限公司 版權所有 www.dnotespool.com 蘇ICP備12005759號-1
                      銷售
                      技術
                      售后
                      欧美日韩大陆片一区二区三区 网曝门事件 在线视频 日本特级牲交大片 2023年最新国产精品 亚洲 高清 成人 动漫 亚洲第一大av网站蜜芽AV
                      免费涉黄不收费完整视频 夜色老司机极品视觉盛宴 影音先锋欧美成人第二页 全免费午夜一级毛片密呀 亚洲第一男人天堂