中心議題：

• 基於磁性材料的EMI濾波器設計
• 共模電感磁芯
• 差模電感磁芯
• 磁性材料的溫度特性

 引言

開關電源一般都采用脈衝寬度調製(PWM)技ji術shu，其qi特te點dian是shi頻pin率lv高gao
，效xiao率lv高gao

，功gong率lv密mi度du高gao
，可ke靠kao性xing高gao。然ran而er，由you於yu其qi開kai關guan器qi件jian工gong作zuo在zai高gao頻pin通tong斷duan狀zhuang態tai
，高gao頻pin的de快kuai速su瞬shun變bian過guo程cheng雖sui然ran能neng完wan成cheng正zheng常chang的de能neng源yuan傳chuan遞di

，但dan卻que是shi一yi種zhong電dian磁ci騷sao擾rao源yuan。它ta產chan生sheng的deEMI信號有很寬的頻率範圍，又有較高的幅度，因而會嚴重影響其他電子設備的正常工作。

1 EMI濾波電路

開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)及(ji)其(qi)諧(xie)波(bo)的(de)主(zhu)要(yao)表(biao)現(xian)是(shi)電(dian)源(yuan)線(xian)上(shang)的(de)幹(gan)擾(rao)
，稱(cheng)之(zhi)為(wei)傳(chuan)導(dao)幹(gan)擾(rao)。傳(chuan)導(dao)幹(gan)擾(rao)分(fen)為(wei)共(gong)模(mo)幹(gan)擾(rao)和(he)差(cha)模(mo)幹(gan)擾(rao)。共(gong)模(mo)幹(gan)擾(rao)是(shi)由(you)載(zai)流(liu)導(dao)體(ti)與(yu)大(da)地(di)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)位(wei)差(cha)產(chan)生(sheng)的(de)，其(qi)特(te)點(dian)是(shi)兩(liang)條(tiao)線(xian)上(shang)的(de)幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)電(dian)壓(ya)是(shi)同(tong)電(dian)位(wei)同(tong)相(xiang)的(de)；而er差cha模mo幹gan擾rao則ze是shi由you載zai流liu導dao體ti之zhi間jian的de電dian位wei差cha產chan生sheng的de，其qi特te點dian是shi兩liang條tiao線xian上shang的de幹gan擾rao信xin號hao電dian位wei相xiang同tong，但dan相xiang位wei相xiang反fan。事shi實shi上shang，針zhen對dui不bu同tong的de幹gan擾rao信xin號hao，EMI濾波電路也分為抗共模幹擾濾波電路和抗差模幹擾濾波電路，圖1所示是其濾波電路。

圖 l中，LC1、LC2、Cy1、Cy2構成共模濾波電路。LC1和LC2為共模濾波電感
，而Ld1
、Ld2、Cx1、Cx2則可構成差模濾波電路，Ld1 和Ld2為差模濾波電感。在這個濾波電路中
，共模濾波電感和差模濾波電感起著舉足輕重的作用
，其性能優劣直接決定EMI濾波器的成敗，而共模濾波電感和差模濾波電感的性能好壞主要是由磁芯的特性所決定，所以
，分析EMI濾波器中所用的磁芯特性，其意義相當重大。

一般而言，磁性材料根據其特性及應用可分為軟磁、硬磁
、壓磁等，其中軟磁應用最為廣泛
，幾乎所有感性器件(電感
、變壓器、傳感器等)都離不開軟磁材料
，目前，濾波電感應用最多的磁芯也是軟磁材料。磁性材料的選擇除了要正確選擇其基本的磁參數(如Bs、μi
、Tc)外，還要仔細選定它們的電特性(如電阻率


、頻寬、阻抗等)。根據EMI 濾波器的特點，共模濾波電感和差模濾波電感的磁芯選擇應遵守以下幾點：

第一
、初始磁導率要高(μi>2000)；

第二、要有低矯頑磁力Hc，以減小磁滯損耗；

第三、電阻率ρ高
，以減小高頻下的渦流損耗；

第四、ωc要高，適當的截止頻率可以展寬頻段；

第五、Tc要高，以適應各類工作環境
；

第六、應具有某一特定的損耗頻率響應曲線
，這樣，在需要衰減EMI信號的頻段內其損耗較大
，因而可以把EMI衰減到最低電平，而在需要傳輸信號的頻段內損耗應較小
，這樣，信號容易通過。

2 共模電感磁芯

EMI 濾波器需要抑製的頻率範圍通常在10kHz～50 MHz之間。為了使共模濾波電路在此頻率範圍內都能提供適當的衰減，磁芯在此頻率範圍內的阻抗必須都要很高。共模磁芯的總阻抗(Zs)由串聯感性阻抗 (Xs)和串聯阻性阻抗(Rs)兩部分組成。在低頻部分，磁芯阻抗主要以感性阻抗為主，隨著頻率的增加，阻性阻抗逐步增加，漸漸起主要作用，圖2所示是頻率與阻抗的關係曲線。圖中，兩種阻抗的結合
，可使磁芯在此全頻範圍內提供合適的總阻抗(Zs)。 [page]
共模電感線圈如圖l中Lcl，Lc2是繞在一隻磁芯上的兩組獨立的線圈，所繞圈數相同，繞向相反。這樣
，當EMI濾lv波bo器qi接jie入ru電dian路lu後hou

，兩liang組zu線xian圈quan產chan生sheng的de磁ci通tong在zai磁ci芯xin中zhong將jiang相xiang互hu抵di消xiao，故gu不bu會hui使shi磁ci芯xin飽bao和he。對dui於yu幹gan擾rao信xin號hao而er言yan

，共gong模mo磁ci芯xin一yi般ban工gong作zuo在zai低di磁ci場chang區qu域yu
，所suo以yi，共gong模mo濾lv波bo電dian感gan選xuan用yong的de磁ci性xing材cai料liao要yao求qiu具ju有you較jiao高gao的de初chu始shi磁ci導dao率lvμi。如果隻針對濾波器的插入損耗這一指標，則初始磁導率μi越(yue)高(gao)，濾(lv)波(bo)電(dian)路(lu)呈(cheng)現(xian)的(de)感(gan)抗(kang)就(jiu)越(yue)大(da)，所(suo)得(de)到(dao)的(de)插(cha)入(ru)損(sun)耗(hao)指(zhi)標(biao)就(jiu)越(yue)好(hao)。但(dan)在(zai)整(zheng)個(ge)電(dian)路(lu)中(zhong)，還(hai)要(yao)綜(zong)合(he)考(kao)慮(lv)磁(ci)性(xing)材(cai)料(liao)在(zai)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)其(qi)它(ta)特(te)性(xing)，如(ru)頻(pin)率(lv)阻(zu)抗(kang)特(te)性(xing)、居裏溫度、磁材的形狀等等。μi值不同的各種磁性材料，在不同頻率下的阻抗特性也不一樣
，故要根據所需要的頻率範圍來選取合適μi值的磁性材料。圖3所示是不同類型的高μi軟磁材料在同樣條件下的頻率與阻抗關係曲線，該曲線反映出電感磁芯的插入損耗變化趨勢。其它的性能參數(如電感值
、體電阻等)如表1所列。 在 圖3中，曲線IV是外國專門用於抗共模幹擾用的電感磁芯(Mn-Zn鐵氧體PC40)所呈現的阻抗特性
，曲線Ⅲ是國產鐵氧體(R4 KB)的阻抗特性。在低頻段(100 Hz～10 kHz)，由you於yu材cai料liao本ben身shen電dian阻zu率lv高gao，交jiao流liu等deng效xiao電dian阻zu小xiao，電dian路lu中zhong感gan抗kang起qi了le主zhu要yao作zuo用yong，說shuo明ming鐵tie氧yang體ti材cai料liao在zai這zhe個ge頻pin段duan內nei對dui幹gan擾rao信xin號hao的de抑yi製zhi作zuo用yong較jiao小xiao。超chao微wei晶jing(曲線Ⅱ)和金屬磁性材料薄膜合金1J851(曲線I)材料由於材料本身的電阻率比較低，隨頻率增加時，其渦流損耗也增加，其等效阻抗Z比鐵氧體大得多。在10～100 kHz的頻段內
，四種材料的Z都在增加，隻是鐵氧體材料的變化斜率要比超微晶(曲線Ⅱ)和金屬磁性材料薄膜合金1J851更陡，說明在這一頻段內，它們對幹擾信號的抑製都在不斷地增強。

當頻率在100 kHz～1 MHz頻段時
，鐵氧體材料Z急增，而金屬磁性材料和超微晶仍然平穩上升


，在1 MHzl／寸
，進口鐵氧體達到峰值，Z最(zui)大(da)，說(shuo)明(ming)在(zai)這(zhe)一(yi)頻(pin)段(duan)內(nei)，鐵(tie)氧(yang)體(ti)材(cai)料(liao)對(dui)幹(gan)擾(rao)噪(zao)聲(sheng)的(de)抑(yi)製(zhi)效(xiao)果(guo)最(zui)好(hao)。所(suo)以(yi)
，製(zhi)造(zao)共(gong)模(mo)濾(lv)波(bo)器(qi)時(shi)所(suo)選(xuan)用(yong)的(de)電(dian)感(gan)材(cai)料(liao)一(yi)定(ding)要(yao)根(gen)據(ju)電(dian)路(lu)要(yao)求(qiu)的(de)抑(yi)製(zhi)頻(pin)段(duan)範(fan)圍(wei)來(lai)選(xuan)擇(ze)，這(zhe)是(shi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)。同(tong)時(shi)，從(cong)表(biao)1與圖3suoshiquxianduibikeyikanchu，bingbushidianganliangyuegaoyuehao
，eryingkaolvtadediancanshu，gengbunengjiandanyongzengjiaxianquanzashudefangfalaizengjiadiangan，yinweizheyanghuizengjiagaopinjishengdianrong。

目前，在大多數情況下，共模磁芯材料一般選擇使用鐵氧體。鐵氧體主要分為兩種：鎳nie鋅xin鐵tie氧yang體ti和he錳meng鋅xin鐵tie氧yang體ti。鎳nie鋅xin材cai料liao磁ci芯xin的de特te性xing是shi其qi初chu始shi磁ci導dao率lv較jiao低di，但dan是shi它ta能neng在zai很hen高gao的de頻pin率lv時shi維wei持chi其qi磁ci導dao率lv不bu變bian。因yin為wei鎳nie鋅xin材cai料liao磁ci芯xin的de初chu始shi磁ci導dao率lv較jiao低di，所suo以yi，它ta在zai低di頻pin時shi不bu能neng產chan生sheng足zu夠gou高gao的de阻zu抗kang，故gu對dui低di頻pin<5 MHz時，幹擾信號的抑製作用較小
，因而主要使用在幹擾信號在高頻(大於10 MHz)的濾波器中。錳鋅材料磁芯在低頻(50 MHz下
，特別是10 MHz以下)時有很高的磁導率，有些磁芯的磁導率能超過5000，故適合使用在10 kHz～50 MHz的EMI濾波器中。當係統中需要EMI濾波器抑製的幹擾信號頻率在10 MHz以內時，可選用的共模磁芯材料主要是錳鋅材料的鐵氧體磁芯。
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3 差模電感磁芯

由於EMI濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)較(jiao)大(da)，如(ru)果(guo)使(shi)用(yong)太(tai)高(gao)磁(ci)導(dao)率(lv)的(de)材(cai)料(liao)，將(jiang)很(hen)容(rong)易(yi)導(dao)致(zhi)磁(ci)飽(bao)和(he)，所(suo)以(yi)，為(wei)了(le)適(shi)應(ying)差(cha)模(mo)抗(kang)幹(gan)擾(rao)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)電(dian)感(gan)磁(ci)芯(xin)需(xu)要(yao)
，應(ying)選(xuan)用(yong)有(you)較(jiao)高(gao)飽(bao)和(he)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)的(de)磁(ci)芯(xin)。為(wei)提(ti)高(gao)差(cha)模(mo)電(dian)感(gan)的(de)飽(bao)和(he)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)
，可(ke)以(yi)選(xuan)用(yong)磁(ci)性(xing)材(cai)料(liao)本(ben)身(shen)就(jiu)具(ju)有(you)很(hen)高(gao)飽(bao)和(he)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)的(de)磁(ci)芯(xin)(如複合磁粉芯等)
；也可以用在磁芯開氣隙的方法來降低磁導率，以提高磁芯的抗飽和能力(如鐵氧體PC40磁芯等)。然而
，在磁芯開氣隙處
，除了有很強的交變漏磁場會引起新的輻射幹擾外，由於磁致伸縮(磁致伸縮效應是指磁化使磁材料產生機械應變的效應)，還會在氣隙處產生新的噪聲和環境汙染
，因此，在使用時要特別注意。

目mu前qian較jiao為wei理li想xiang的de差cha模mo濾lv波bo電dian感gan材cai料liao是shi複fu合he磁ci粉fen芯xin。它ta是shi將jiang金jin屬shu軟ruan磁ci粉fen末mo經jing絕jue緣yuan包bao裹guo壓ya製zhi退tui火huo而er成cheng
，相xiang當dang於yu把ba一yi集ji中zhong的de氣qi隙xi分fen散san成cheng微wei小xiao孔kong穴xue均jun勻yun分fen布bu在zai磁ci芯xin中zhong，這zhe樣yang不bu但dan材cai料liao的de抗kang飽bao和he強qiang度du會hui增zeng加jia，而er且qie磁ci芯xin的de電dian阻zu率lv也ye會hui比bi原yuan來lai增zeng加jia幾ji個ge數shu量liang級ji且qie各ge向xiang同tong極ji性xing，因yin此ci也ye就jiu改gai善shan了le金jin屬shu磁ci性xing材cai料liao不bu能neng在zai高gao頻pin下xia使shi用yong的de缺que陷xian。這zhe也ye是shi國guo外wai新xin型xing差cha模mo濾lv波bo電dian感gan都dou采cai用yong金jin屬shu磁ci粉fen芯xin，而er越yue來lai越yue少shao使shi用yong開kai口kou鐵tie氧yang體ti磁ci芯xin的de原yuan因yin。 圖 4所示是Magnetic公司的SF30與SF70金屬磁粉芯及55930鎳鐵磁粉芯的頻率一阻抗變化曲線。不同磁性能的磁芯，其阻抗與頻率變化是不一樣的。由圖4可以看出，鐵磁粉芯SF70和鎳鐵磁粉芯55930在幹擾頻率小於2 kHz時
，其阻抗很小且基本不變，表示對這一頻段的幹擾信號衰減很小。鐵磁粉芯SF30在小於60 kHz時
，對幹擾信號的衰減也很小
，但到2 MHz附近的吸收則迅速增強，在接近10 MHz時吸收最強，而SF70在100kHz以yi後hou曲qu線xian的de斜xie率lv變bian化hua不bu大da。由you此ci可ke見jian，不bu同tong性xing能neng的de材cai料liao對dui幹gan擾rao信xin號hao的de吸xi收shou頻pin段duan也ye不bu一yi樣yang。因yin此ci在zai實shi際ji設she計ji中zhong

，必bi須xu根gen據ju實shi際ji所suo需xu抑yi製zhi的de幹gan擾rao信xin號hao頻pin段duan進jin行xing磁ci芯xin材cai料liao的de選xuan擇ze。

4 磁性材料的溫度特性

選擇電感的磁芯材料不但要考慮其磁特性，還要考慮其溫度特性，包括高低溫下的磁性變化和磁性材料的居裏溫度特性。磁芯由鐵磁性(亞鐵磁性或反鐵磁性)轉變成順磁性的溫度稱為居裏溫度。在圖5所示的 μ-T曲線上，80％μmax與20％μmax連線與μ=1的交叉點相對應的溫度，即為居裏溫度Tc。 [page]
由(you)於(yu)磁(ci)性(xing)材(cai)料(liao)到(dao)了(le)居(ju)裏(li)溫(wen)度(du)點(dian)後(hou)就(jiu)失(shi)去(qu)磁(ci)性(xing)。因(yin)而(er)此(ci)時(shi)將(jiang)會(hui)對(dui)電(dian)路(lu)產(chan)生(sheng)巨(ju)大(da)的(de)損(sun)害(hai)，嚴(yan)重(zhong)時(shi)會(hui)燒(shao)毀(hui)電(dian)路(lu)，所(suo)以(yi)磁(ci)性(xing)材(cai)料(liao)的(de)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)必(bi)須(xu)在(zai)居(ju)裏(li)溫(wen)度(du)之(zhi)下(xia)。例(li)如(ru)：在一些產品中，其工作溫度為-55～+125℃。正常工作時
，由於電路的損耗會導致發熱
，從而使磁芯內部的溫度升高，此時磁芯的最高溫度將可能達到140℃，所以，選擇的磁性材料的居裏溫度必須高於這個溫度點，並要進行降額設計

，以留有足夠的餘量。通常而言，磁性材料的μi值越高，則居裏溫度越低
；反之μi越低
，居裏溫度越高
，所以
，要綜合考慮μi值和居裏溫度來選擇磁性材料。

中小功率的EMI濾波器產品中選用最多的磁芯材料是日本TDK公司 的PC40 (它是目前業界廣泛使用的較好的材料之一)，它的初始磁導μi隨溫度的變化曲線如圖6所示。從圖中可看出，溫度變化對μi的影響是很大的，磁芯溫度在 90～150℃的區間內

，有一段平坦區，這時它的μi大約在4100左右
；當溫度低於90℃後，μi值會隨著溫度的降低而逐漸減小，到0℃時，μi值隻有 2000左右
，進到負溫區後，μi值還會進一步減小；而當溫度高於150℃後，μi值則會隨著溫度的升高而增加，當達到240℃時，μ的最大值為5600 左右
；從240℃開始

，μi值又漸漸減小
，當溫度達到居裏溫度點250℃時，材料失去磁性。 5 結束語

對於許多類型的電子係統，EMI是個較為棘手的問題。隨著開關電源的不斷小型化和高頻化，相應的EMI濾波器也在不斷改進和發展，以適應開關電源不斷發展的需要。EMI濾波器的改進和發展需要磁性材料的支撐
，相信磁性材料的性能改進
，一定會對EMI濾波器乃至整機係統實現較好的電磁兼容環境帶來更大的幫助。