電源抗干擾中濾波電感的應(yīng)用

1 引言

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委員會制定有關(guān)法令于1992年1月1日開始實(shí)施，歷時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， EMC成為影響國際貿(mào)易一個重要的指標(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，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濾波器之間有著概念上的區(qū)別。信號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的相位相同、電位相等，而差模干擾是相線間干擾信號相位差 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濾波器大都是對共模干擾設(shè)計(jì)的，對差模抑制效果很差。實(shí)際上開關(guān)電源中共模與差模干擾同時存在，特別對于有源功率因數(shù)校正電路中差模干擾的強(qiáng)度很大。對于開關(guān)電源，EMI濾波器對高頻的EMI信號抑制比低頻的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)果來判斷和選擇對超標(biāo)信號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)所需衰減干擾信號范圍，確定對應(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并以發(fā)熱的形式消耗掉，而讓需要的信號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等效為純電感L和純電阻R的串聯(lián)，其阻抗Z=R＋jωL。對于平均直徑為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?。?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去干擾信號就是利用了磁性材料的這一特征。從另一個角度看，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，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，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特征。