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(de)EMI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EMIlvboqijierudianluhou

，liangzuxianquanchanshengdecitongzaicixinzhongjiangxianghudixiao
，gubuhuishicixinbaohe。duiyuganraoxinhaoeryan

，gongmocixinyibangongzuozaidicichangquyu
，suoyi，gongmolvbodianganxuanyongdecixingcailiaoyaoqiujuyoujiaogaodechushicidaolvμi。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biao1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100kHzyihouquxiandexielvbianhuabuda。youcikejian
，butongxingnengdecailiaoduiganraoxinhaodexishoupinduanyebuyiyang。yincizaishijishejizhong
，bixugenjushijisuoxuyizhideganraoxinhaopinduanjinxingcixincailiaodexuanze。

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。