抗EMI磁性滤波器:原理·应用·展望

技术分类: 电源技术  模拟设计  | 2006-11-15
来源:EMC CHINA .COM | 作者:苏 桦 张怀武 唐晓莉

  对于电源滤波器件,由于线路上通过的电流一般较大,所以要特别注意磁芯的饱和问题。这类滤波器包括开关电源中应用的共模扼流圈、电源线路扼流圈等等。电源共模扼流圈的结构如图4所示。虽然差模电流能够相互补偿,但在实际生产中,两个绕组不可能做到完全对称,使得1和2的电感量不相等,从而也会对磁芯产生一定的偏置效果,因此也应该注意磁芯的饱和现象,最好选择s较大的磁芯来制作。1和2的差值(1-2)形成的差模漏电感e和x电容器同时也组成L-N独立端口间的一只低通滤波器,在一定程度上也可抑制电源线上存在的差模EMI信号。对于电源线路上专门的差模扼流圈,由于承受的偏置电流大,目前最理想的材料是选择复合磁粉芯,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,不但材料的抗饱和强度增大,而且磁芯的电阻率比金属软磁材料增大了几个数量级,从而可应用在较高的频段内。磁粉芯的起始磁导率不是很高,为了获得高阻抗,可通过增加匝数来实现。

电源共模扼流圈的结构图

  3 组合式抗EMI滤波器

  组合式抗EMI滤波器又称为反射式滤波器或复合LC型滤波器。它是利用巴特奥斯或切比雪夫滤波器的设计原理和理论,根据在交流状态下电容的通高频阻低频、电感的通低频阻高频的特性,将电感和电容组合连接成电路,使其具有一定的滤波功能。滤波要求不同,选用的LC组合及对电感和电容值的要求也不同。

  复合LC噪声滤波器电路通常采用型、T型及型电路及它们的组合等,使滤波器对信号源阻抗匹配,让所需要的信号几乎无衰减地通过,而对高频干扰呈现大的阻抗失配,使由信号源传导到滤波器输入端的干扰大多数被反射回源,而由滤波器输出端反向传输的高频干扰也被反射回负载。由于其所具有的双向抑制性,在实际应用时,要使滤波器的端口处与源端和负载端产生最大的阻抗失配,这样才能使滤波器对电磁干扰的衰减等于自身网络的衰减再加上输入和输出端口所产生的反射。因此,在滤波器结构的选择上,必须充分考虑源端阻抗和负载阻抗的情况。对于常用的π型、T型及Γ型组合式滤波器,其结构选择的规律如图5所示。

结构选择的规律图

  在组合式抗EMI滤波器中,由于其电容和电感在高频时容易受到分布参数的影响,甚至发生谐振现象,使滤器插损性能急剧下降,因此,它一般只适用于抑制频率相对较低的干扰。但其滤波效果可通过调整电感电容值或滤波阶数来改变,因而在抑制频率不是太高的干扰时,组合式滤波器能够产生更佳的除噪效果,适用于对付强大的噪声及需要充分去除噪声的地方,并且其抑制噪声的频段变化也很灵活,针对性可以很强。吸收式滤波器由于消除了器件分布参数的作用,能够很好地保证其高频插损性能,因此多用于抑制高频的干扰,如果将组合式滤波器和吸收式滤波器适当串联使用,则可满足系统宽带内的高性能插损指标。

  4 抗EMI滤波器的发展趋势

  电子系统的小型轻量化的发展,促使抗EMI滤波器也不断朝小型化、片式化方向发展。多层片式抗EMI器件就是近年来随着高密度表面组装技术(SMT)的发展而发展起来的一种新型表面贴装元件(SMD),由于其小型化的潜力很大,成为近年来研究和开发的热点。这些抗EMI元器件包括片式磁珠型EMI/RFI抑制器、片式电感器、片式组合式(LC型等)滤波器、片式扼流圈等。在尺寸上,美国已制定出相关的标准,如1008(1.0mm×0.8mm),0805,0603,2012等型号。由于这类抗EMI器件对采用的铁氧体材料有特殊的要求,不仅要求其烧结温度低、电阻率高、而且要不与内导体发生反应,因此,近年来人们花费了大量的精力和财力研究降低该系统材料的烧结温度以及改进其电磁性能,取得了不少有价值的成果[3~6]。随着片式抗EMI器件尺寸的进一步缩小,如何在小尺寸滤波器上获得大的电感量或阻抗值将是今后需重点研究的内容。另外,为适应IC电路小型化精密印制板电路抗EMI的需求,对薄膜型组合式滤波器的研究也逐渐增多。上世纪90年代后期,美国泰克公司、日本东北大学先后开发出薄膜π型和薄膜LC抗EMI滤波器,使用频段在1~1000MHz之间,最大插损达到25dB。由于这种抗EMI器件完全采用薄膜工艺来完成,有望实现更高的集成度。

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