磁粉芯在高性能EMI滤波器中的应用

磁粉芯在高性能EMI滤波器中的应用
  摘要：介绍了用铁硅铝磁粉芯制作的单级和双级滤波器的频率响应特性。对应用三种不同磁粉芯材料（铁镍钼合金、50％铁镍合金、铁硅铝合金）所制成的滤波器的性能进行了测试，并给出相关的特性曲线。
  　　1引言
  铁镍钼合金MPP，高磁通铁镍50％HF合金和铁硅铝合金SUPERMSS等三种不同材料的磁粉芯已被广泛地应用在电源滤波电感之中。特别是在抑制和过滤差模传导EMI的线路滤波（PowerLineFiltering）电路中，上述三种磁粉芯都有独具特色的应用。本文将从滤波电路简介开始，再通过实例说明使用多只电感器在滤波电路中的优点。
  除此之外，还将对上述三种不同磁粉芯材料所制作的电感器，在一定的工作频率和不同电流下所产生的功率损耗和电感稳定性做逐一对比。对应不同的工作频率，电感器可以得到不同的等效串联电感，等效串联电阻和等效串联阻抗，这些数值反映了绕线分布电容大小和磁粉芯中涡流损耗的大小。
  
  图1单级和双级滤波器示意图
  (a)单级滤波器（15A）(b)双级滤波器（15A）
  2单级与多级滤波器
  在电力和电子功率变换系统中，滤波器均采用L?C电路。这种滤波器一般为“低通滤波器”。
  滤波器设计非常复杂，需要数学计算，计算机辅助工程和实际经验相结合。
  本文考虑两种滤波器，如图1所示，一种是单级（一只电感和一只电容组成），另一种是双级（两只电感和两只电容）。
  接有滤波器的电路具有明显的频率响应特性，但是由于负载和电源的阻尼作用，频率响应又是有限的。在实际应用中，还要考虑电感器绕组电阻，磁粉芯损耗，电容器引线、电极和介质损耗影响。更高频率下的损耗构成附加阻尼有利于滤波器稳定运行。而且寄生参数（如电容器引线电感和电感绕组的分布电容）都会对滤波器性能产生影响。
  寄生参数如图2所示，RS为电感器的等效串联电阻，RC为电容器的等效串联电阻。
  用几种型号的美国阿诺公司SUPER－MSS铁硅铝磁粉芯制做单级滤波器和双级滤波器，具体设计参数为：
  
  图2单级滤波器中考虑寄生参数的电路图和实验及源负载示意图
  
  图3等效串联电感和电阻与频率的关系曲线
  
  图4等效并联电容和电阻与频率之间的关系曲线
  
  图5增益和相位与频率的关系曲线（对单级滤波器）
  
  图6增益和相位与频率的关系曲线（对双级滤波器电路）
  
  图7复合增益和相位与频率关系曲线（对单级和双级滤波器）
  （1）单级滤波器电感磁芯采用一只铁硅铝MS－130060－2型(磁导率为60)，电感量为13.2μH，电感绕组导线采用3股18AWG线规漆包线，DC直流电阻值为4.5mΩ，电容器采用一只聚丙烯电容，电容量为15μF。
  （2）双级滤波器两只电感分别采用两只铁硅铝MS－106060－2型（磁导率为60），每只电感量为7.95μH，电感绕组导线也采用与单级滤波器相同的三股18AWG漆包线，圈数为10圈，电感总电阻为5.4mΩ，电容器分别采用两只聚丙烯电容，电容量分别为15μF。由于每只电感所绕的圈数少，所以在同样电流下所产生的直流磁场强度要低14.5％。
  　　对该二种滤波器的频率响应特性，用HP4194A阻抗/增益－相位分析仪进行测试，实验信号电压0.5Vrms。结果如图3、图4、图5、图6、图7所示。
  从图3可以看到，两种滤波电路（单级和双级）的等效串联电感量（Ls）和电阻值（Rs）随频率变化的曲线。电感量大的单级滤波器的自振频率在26MHz，电感量小的双级滤波器在40MHz以上时还具有电感特性。或者说电感量小的双级滤波器，其工作频率范围较宽。
  图4显示了电容器有关数值与频率的关系曲线，即等效并联电容（Cp）和等效并联电阻（Rp）随频率变化的曲线。可以看到，电容器与其引线电感发生谐振的频率大约在250kHz。
  为了说明多级滤波电路的优点，现把单级和双级滤波器的频率响应曲线分别示于图5和图6。测试条件使用了最偏离电源的电路工作参数，输入源阻抗为50Ω，负载阻抗也是50Ω。在典型的电路中，阻抗值是变化的，并不总是匹配的，尤其在低频下，阻抗值会非常低。虽然实验条件与实际应用的电路条件不一样，但是，实验结果表明，用来对单级滤波器和双级滤波器做对比，可以得到许多有用的实验数据。
  例如：对于每种滤波器而言，衰减量达到最大（增益达到最小值）的原因都是由于电容器与其引线电感发生谐振所造成的。对于单级滤波器，这一点发生在175kHz。所以尽量缩短电容器引线长度的重要性是非常明显的。随着频率从175kHz增加，衰减又开始减少（增益增加），这是因为引线电感阻碍了每只电容器返回电流的流动。
  另一个重要的结果是，双级滤波器在20kHz频率点下，具有最低的衰减（最高的增益）。从理论计算，双级滤波器应该视同于2个单级滤波器在14.6kHz频率点上的效果，但是由于电容C1，电感L2和电容C3的阻尼效果，所以频率点变到了20kHz。在20kHz频率点，产生了大约30dB的衰减。超过这个频率点之后，双级滤波器的增益衰减在60kHz,比单级滤波器还要低20dB。
  最后还可以注意到，双级滤波器在300kHz到1MHz范围内，增益衰减都比单段滤波器大10dB。附加电感和电容减少了电容引线的电感效果。在美国，因为无线电调幅AM波段是在540kHz到1.6MHz之间，这样对于改善此波段内的滤波器性能，非常有利。
  上述滤波器测试条件为，将电容器侧作为输入或参考通道，将电感器侧作为测试通道。通过观察可以看到，频率响应特性在上述测试连接方式和采用电感器侧连接到参考通道，将电容器连接到测试通道的结果是相似的。因此，上述实验结果也适用于电感器输入型电路。
  3电源滤波器
  滤波器通常用于电路或一部分电路以防止电磁干扰（EMI）。不设滤波器则无用的电信号将会沿着电源线或共用母线传导引起EMI，而传导干扰也能继发射频干扰（RFI），这是因为电源线对于高频则是一天线。滤波器的作用就是防止在供电的同时将电噪声传导到电力线上。
  　　对于那些连接到公用电上的电子、电器设备而言，各国政府机构都对特定的频率范围内所允许的最大传导噪声电压有具体的规定。比如，美国联邦通讯委员会（FCC）就规定，在450kHz到30MHz频段内的无线电射频干扰，应限制在48dBμV（250μV）以下。这种规定的目的就是要防止射频干扰对公共电子设施，如无线电、电视机、电话机等的干扰。
  在电子系统中对电源输出端噪声的限制，要由其负载的需要决定。在大多数情况下，噪声的滤除是由前述的滤波元件（电感器和电容器）来完成的，由它们抑制输出电压的脉动。为了抑制电源输出端的EMI，有时设计二级滤波。
  在含有开关器件的设备中，比如开关电源的功率晶体管和二极管，都需要在电源输入端加装EMI滤波器。在电路中电流的突然变化会导致电压的短暂升高（或称电压尖峰），这个电压尖峰既施加在输入导体之间，也施加在导体与地线之间。
  在输入导线之间的EMI电压称之为差模噪声。导线对接地端的噪声称之为共模噪声。对于抑制共模噪声的电感器，需要在一个磁芯上绕制两组电流方向相反的导线，并使用高磁导率的磁芯。
  相反，对于抑制差模噪声的电感器，则要求磁芯材料在偏磁场下仍然能够保持磁导率指标。图8中，标出了流经电感器的电流I，电压V和磁芯中的磁场强度曲线，并且画出了差模滤波器和共模滤波器在开关电源中的应用线路图。在输入端，可以是交流输入（如市电），也可以是电池供电（如48V，用于电信设备中）。当电池供电时，磁化电流是恒定的直流电。对于高功率因数的交流电系统，磁化电流接近正弦波波形。而低功率因数的交流电系统，其磁化电流则由一系列的交变脉冲叠加组成。
  三种磁粉芯材料（铁镍钼MPP，铁镍HF和铁硅铝SUPERMSS）最适合用于差模滤波器中的电感（有时这种电感也称之为“串模电感”或“扼流圈”）。原因是这三种磁粉芯材料在偏磁场下具有极好的电感量保持能力。铁镍50％HF高磁通磁粉芯（美国阿诺公司注册商标Hi－FluxTM），特别适合用于高磁通密度工作条件。为了便于比较，图9标明了三种不同材料磁粉芯在直流偏磁场下的磁导率变化曲线。
  
  图8典型的EMI滤波器电路配置和差模电感器上的电压，电流以及磁滞回线
  (a)电路(b)磁滞回线(c)电感器上电压、电流
   12>
  图9磁导率与DC直流偏磁关系曲线
  
  图10磁芯损耗与磁通密度关系曲线
  图9中的曲线是对三种不同材料的磁粉芯，在相同尺寸，相同磁导率，单级滤波器电路中测试得到的数据而绘出的。磁芯分别为铁镍钼MPP磁粉芯（A－291061－2）；铁镍50％HF合金（HF－130060－2）；和铁硅铝SUPERMSS合金（MS－130060－2），尺寸均为外径33.02mm×内径19.94mm×高度10.67mm，磁导率相同（60）。由图9可知三种材料的磁导率随直流偏磁的增大而减小。
  所谓“完全绕线磁芯”，指绕线后的磁芯，漆包线绕线厚度正好达到磁芯原来内径的一半位置。通常，在生产工艺中，需要考虑使绕线机上的线钩或线梭在绕制最后一圈漆包线时，还可以有足够的空间。在本实例中，电感量为1.9mH，这个电感量数值是典型的线路滤波所需要的电感量。一般而言，滤波电感的电感量选择范围在几个μH到几个mH之间。
  在工频下，要求磁芯损耗低，以便充分发挥磁芯材料的高饱和磁通密度性能。图10是对高磁通铁镍50HF磁粉芯测试结果而绘制的曲线。由于高磁通铁镍50HF磁粉芯有高的损耗，所以可以用在工作条件最恶劣的情况。在400Hz，9000Gs磁通密度下，它的磁芯损耗为200mW/cm3。在50Hz或60Hz下工作，磁通密度的使用上限要根据磁芯磁导率变化的大小确定，具体可参见图11。
  另外一个需要重点考虑的因素是，电感量会随频率变化而变化。图12，图13和图14所示的是，三种不同磁粉芯材料（MPP，HF和SUPERMSS）绕制的电感器（采用单层绕线，电感量为60μH），它们各自的等效电感、等效串联电阻、等效阻抗与频率的关系曲线。
  从图12可看到，高磁通铁镍HF磁粉芯的等效串联电感值随频率增加而跌落，这是由于其磁导率下
  
  图11磁通密度与磁导率的关系曲线
   　
  图12等效串联电感和频率的关系曲线（单层绕线条件下）
   　
  图13等效串联电阻与频率的关系曲线（单层绕线条件下）
   　
  图14阻抗与频率的关系曲线（单层绕线条件下）
   　
  图15等效串联电感/电阻和频率的关系曲线（100kHz?1MHz）
   　
  图16阻抗与频率的关系曲线（100kHz?1MHz）
   　
  图17单层和完全绕线设计情况下等效串联
   　
  图18单层和完全绕线设计情况下阻抗与频率的关系曲线
  降所致。其根本原因在于频率增高后涡流损耗随之增大所造成的。正如前所述，在高频下的损耗对滤波器来说是一个优点，这是因为这个损耗对阻尼衰减提供了附加的稳定因素。图15是对图12和图13、图16是对图14在100kHz到1MHz范围内的曲线进行的局部放大图，以便更清楚地看到三种磁粉芯的串联等效电感和等效电阻及等效阻抗随频率变化的趋势。可以很明显地看到，铁硅铝SUPERMSS在高频下的涡流损耗是最低的，所以它的电感量（磁导率）和电阻都是变化最小的或基本不变的。
  最后，看一下电感器的分布电容（对单层和多层绕线做比较）与频率的关系曲线，见图17和图18。从图中看到，超过1.6MHz之后，这个杂散电容确实使成本高的多层电感器的阻抗比成本较低的单层电感器的阻抗要低。
  4结语
  三种磁粉芯材料都非常适合用于电源滤波。高磁通铁镍50％HF磁粉芯的性能最好，因为它在高饱和磁通密度下具有保持电感量的能力，同时它还提供在高频下所需要的阻尼衰减功能。
  另外一个需要重点考虑的因素是，由于磁性材料本身所具有的磁致伸缩所产生的音频噪声。而高磁通HF铁镍50％磁粉芯在50Hz或60Hz下，会产生音频噪声（嗡嗡声）。当然，直流磁化电流不会产生音频噪声，所以它最适合用作电池供电的电源系统中输入滤波电感。
  铁镍钼MPP磁粉芯和铁硅铝SUPERMSS磁粉芯都具有特别低的磁致伸缩系数，它们都不会产生音频噪声。铁镍钼MPP磁粉芯在直流偏磁场下的磁导率变化量最小，这是它的一个优点。由于50Hz或60Hz交流电与音频频率相比几乎可以认为是近似直流，所以可以用在直流偏磁下三种磁粉芯磁导率变化曲线，来推测50Hz或60Hz电流偏磁场下的磁导率变化趋势。铁硅铝SUPERMSS磁粉芯的单位体积制造成本（价格）最低，最适合用于一般电源滤波电感，具有很高的性能价格比。而铁镍钼MPP和高磁通铁镍50％HF磁粉芯的价格水平差不多，铁镍钼MPP磁粉芯最高。