第 12 卷
第 7期 2010 年 7 月
新特器件应用
Vol.12 No.7 July. 2010
易通过。
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共模电感磁芯
EMI 滤 波 器 需 要 抑 制 的 频 率 范 围 通 常 在 10
kHz～50 MHz 之 间 。 为 了 使 共 模 滤 波 电 路 在 此 频
率范围内都能提供适当的衰减， 磁芯在此频率范 围内的阻抗必须都要很高。 共模磁芯的总阻抗
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差模电感磁芯
由于 EMI 滤波器的输出电流较大 ， 如果使用
kHz 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。 太高磁导率的材料， 将很容易导致磁饱和， 所 以， 为了适应差模抗干扰滤波器的电感磁芯需 要， 应选用有较高饱和磁感应强度的磁芯。 为提 高差模电感的饱和磁感应强度， 可以选用磁性材 料本身就具有很高饱和磁感应强度的磁芯 ( 如复 合 磁 粉 芯 等)； 也 可 以 用 在 磁 芯 开 气 隙 的 方 法 来 降低磁导率， 以提高磁芯的抗饱和能力 ( 如铁氧 体 PC40 磁芯等 ) 。 然而 ， 在 磁 芯 开 气 隙 处 ， 除 了 有很强的交变漏磁场会引起新的辐射干扰外， 由 于磁致伸缩 ( 磁致伸缩效应是指磁化使磁材料产 生 机 械 应 变 的 效 应)， 还 会 在 气 隙 处 产 生 新 的 噪 声和环境污染， 因此， 在使用时要特别注意。 目前较为理想的差模滤波电感材料是复合磁 粉芯。 它是将金属软磁粉末经绝缘包裹压制退火 而成， 相当于把一集中的气隙分散成微小孔穴均 匀分布在磁芯中， 这样不但材料的抗饱和强度会 增加， 而且磁芯的电阻率也会比原来增加几个数 量级且各向同极性， 因此也就改善了金属磁性材 料不能在高频下使用的缺陷。 这也是国外新型差 模滤波电感都采用金属磁粉芯， 而越来越少使用 开口铁氧体磁芯的原因。 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 －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
100 kHz 的频段内， 四种材料的 Z 都在增加， 只是
铁氧体材料的变化斜率要比超微晶 ( 曲线 Ⅱ) 和 金 属 磁 性 材 料 薄 膜 合 金 1J851 更 陡 ， 说 明 在 这 一 频段内， 它们对干扰信号的抑制都在不断地增 强。 当 频 率 在 100 kHz～1 MHz 频 段 时 ， 铁 氧 体 材 料 Z 急增， 而金属磁性材料和超微晶仍然平稳上 升， 在 1 MHz 时， 进口铁氧体达到峰值， Z 最大， 说明在这一频段内， 铁氧体材料对干扰噪声的抑 制效果最好。 所以， 制造共模滤波器时所选用的 电感材料一定要根据电路要求的抑制频段范围来 选择， 这是非常重要的。 同时， 从表 1 与图 3所示 曲线对比可以看出， 并不是电感量越高越好， 而 应考虑它的电参数， 更不能简单用增加线圈匝数 的方法来增加电感， 因为这样会增加高频寄生电 容。 目前， 在大多数情况下， 共模磁芯材料一般
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图4所示是其控制系统原理如图。
控 制 LCM 显 示 。 本 液 晶 显 示 控 制 器 与 FPGA 组 成 显示系统后， 即可先由 FPGA 将显示数据写入 FP-
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选择使用铁氧体。 铁氧体主要分为两种： 镍锌铁 氧体和锰锌铁氧体。 镍锌材料磁芯的特性是其初 始磁导率较低， 但是它能在很高的频率时维持其 磁导率不变。 因为镍锌材料磁芯的初始磁导率较 低， 所以， 它在低频时不能产生足够高的阻抗， 故对低频 ＜5 MHz 时， 干扰信号的抑制作用较小， 因 而 主 要 使 用 在 干 扰 信 号 在 高 频 ( 大 于 10 MHz) 的滤波器中 。 锰 锌 材 料 磁 芯 在 低 频 (50 MHz 下 ， 特别是 10 MHz 以下 ) 时有很高的磁导率， 有些磁 芯 的 磁 导 率 能 超 过 5000， 故 适 合 使 用 在 10 kHz～
图3
不同磁性材料的频率与阻抗曲线 表1 不同磁性材料磁性能对比
μ (×104) 3 4 0.8 0.5 L (mH) 25 35 4.2 3.4 Ρ (Ω.m) 60 140 >105 >105
阻抗特性， 曲线 Ⅲ是国产铁氧体 (R4 KB) 的阻抗 特 性 。 在 低 频 段 (100 Hz～10 kHz) ， 由 于 材 料 本 身电阻率高， 交流等效电阻小， 电路中感抗起了 主要作用， 说明铁氧体材料在这个频段内对干扰
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doi:10.3969/j.issn.1563-4795.2010.07.005
磁性材料在EMI滤波器中的应用
赵隆冬， 毛军
(中国电子科技集团公司 43所， 安徽
图1 共模和差模滤波电路
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 E-
MI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所示是其滤波电路。
图 1 中， LC1、 LC2、 Cy1、 Cy2 构成共模滤波
线， 这样， 在需要衰减 EMI 信号的频段内其损耗 较大， 因而可以把 EMI 衰减到最低电平， 而在需 要传输信号的频段内损耗应较小， 这样， 信号容
收稿日期：2010-03-12
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图2 频率与阻抗关系曲线
信号的抑制作用较小。 超微晶 ( 曲线 Ⅱ) 和金属 磁性材料薄膜合金 1J851 ( 曲线 Ⅰ) 材料由于材料 本身的电阻率比较低， 随频率增加时， 其涡流损 耗也增加， 其等效阻抗 Z 比铁氧体大得多。 在 10～
共 模 电 感 线 圈 如 图 1 中 Lc1 ， 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。 在图 3 中， 曲线 IV 是外国 专 门 用 于 抗 共 模 干 扰用的电感磁芯 (Mn－Zn 铁氧体 PC40) 所 呈 现 的
图4 不同磁粉芯的阻抗随频率的变化曲线
50 MHz 的 EMI 滤波器中。 当系统中 需 要 EMI 滤 波
器抑制的干扰信号频率在 10 MHz 以内时， 可选用 的共模磁芯材料主要是锰锌材料的铁氧体磁芯。
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 100
电路， LC1 和 LC2 为共模滤波电感， 而 Ld1、 Ld2、
Cx1、 Cx2则可构成差模滤波电路， Ld1 和 Ld2 为差
模滤波电感。 在这个滤波电路中， 共模滤波电感 和差模滤波电感起着举足轻重的作用， 其性能优 劣直接决定 EMI 滤波器的成败， 而共模滤波电感 和差模滤波电感的性能好坏主要是由磁芯的特性 所决定， 所以， 分析 EMI 滤波器中所用的磁芯特 性， 其意义相当重大。 一般而言， 磁性材料根据其特性及应用可分 为软磁、 硬磁、 压磁等， 其中软磁应用最为广 泛， 几乎所有感性器件 ( 电感、 变压器、 传感器 等 ) 都离不开软磁材料， 目前， 滤波电感应用最 多的磁芯也是软磁材料。 磁性材料的选择除了要 正 确 选 择 其 基 本 的 磁 参 数 ( 如 Bs、 μi 、 Tc) 外 ， 还 要 仔 细 选 定 它 们 的 电 特 性 (如 电 阻 率 、 频 宽 、 阻抗等 ) 。 根据 EMI 滤波器的特点， 共模滤波电感 和差模滤波电感的磁芯选择应遵守以下几点： 第一、 初始磁导率要高 (μi>2000) ； 第 二 、 要 有 低 矫 顽 磁 力 Hc， 以 减 小 磁 滞 损 耗； 第三、 电阻率 ρ 高， 以减 小 高 频 下 的 涡 流 损 耗； 第四、 ωc要高， 适当的截止频率可以展宽频 段； 第五、 Tc要高， 以适应各类工作环境； 第六、 应具有某一特定的损耗频率响应曲1EMI滤波电路