探討EMC中共模電感的選擇

陳晨 王剛

蘇州長風(fēng)航空電子有限公司 江蘇 蘇州 215004

引言

DC/DC變換器由于功率密度及效率高、體積小、易用性、靈活性現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程及數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、軍事、航天等領(lǐng)域。對(duì)于DC/DC變換器來說，內(nèi)部產(chǎn)生的干擾主要來自于開關(guān)電路。DC/DC變換器是利用開關(guān)電路開和關(guān)的時(shí)間比來控制輸出電壓的大小的，其通常在20KHz以上的開關(guān)頻率下工作，內(nèi)部的dv/dt、di/dt很大，會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電壓及浪涌電流。除此之外，開關(guān)電路的輸出整流二極管也處于高頻通斷狀態(tài)，與高頻變壓器組成的回路也會(huì)產(chǎn)生同樣的干擾。這些干擾會(huì)通過電源線傳導(dǎo)出去，同時(shí)還向周圍輻射噪聲。

1 EMC濾波電路的組成

電源線中的干擾分為共模干擾和差模干擾。共模干擾在導(dǎo)線與地（機(jī)殼）之間傳輸，屬于非對(duì)稱性干擾，它定義為任何載流導(dǎo)體與參考地之間的不希望有的電位差；差模干擾在兩導(dǎo)線之間傳輸，屬于對(duì)稱性干擾，它定義為任何兩個(gè)載流導(dǎo)體之間的不希望有的電位差。在一般的DC/DC轉(zhuǎn)換電路中，共模干擾產(chǎn)生的干擾幅度大、頻率高還會(huì)通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射。差模干擾相對(duì)產(chǎn)生的干擾幅度小、頻率低。針對(duì)這兩種干擾[1]，常用的DC/DC變換器輸入濾波電路如圖1所示。

圖1 濾波電路原理圖

輸入濾波電路中包含了共模濾波電路（L1、C3、C4）以及差模濾波電路（C1、C2）。在這個(gè)濾波電路中，共模電感的性能優(yōu)劣對(duì)該電路是否能有效濾除電路中的干擾起著決定性作用，因此如何選擇合適的共模電感是該電路的重點(diǎn)。

2 共模電感磁芯材料的選用

根據(jù)磁性材料不同使用的特性和應(yīng)用，可以將其分為軟磁、硬磁、壓磁等。我們平時(shí)所用的絕大部分感性器件都是由軟磁做成。磁性材料的選擇除了要正確選擇其基本的磁參數(shù)(如Bs、μi、Tc)外，還要仔細(xì)選定它們的電特性(如電阻率、頻寬、阻抗等)。

應(yīng)根據(jù)所針對(duì)的頻段選擇具有特定損耗頻率響應(yīng)曲線的材料，這樣才能在需要衰減EMC信號(hào)的頻段內(nèi)其損耗較大，因而可以把EMC衰減到最低電平，而在需要傳輸信號(hào)的頻段內(nèi)損耗應(yīng)較小，這樣信號(hào)容易通過。

EMC設(shè)計(jì)中常用的磁性材料主要是鐵氧體、磁粉芯、非晶態(tài)合金。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中重點(diǎn)關(guān)注的10K～30M頻段我們來分析一下該如何選自共模電感的磁芯。

為了使共模電感在該頻段能起到良好的抑制共模干擾的作用，其在該頻段必須維持高阻抗?fàn)顟B(tài)。共模電感的阻抗（Zs）分為兩部分，一部分是串聯(lián)感抗（Xs），另外一部分是串聯(lián)電阻（Rs）。在低頻段時(shí)以感抗為主，高頻段以阻抗為主，兩種阻抗的結(jié)合即為磁芯的總阻抗。

圖2 頻率與阻抗關(guān)系曲線

如圖1中的L1是由磁環(huán)及繞在磁環(huán)上的兩個(gè)獨(dú)立的線圈組成，兩個(gè)線圈所繞圈數(shù)相同，繞向相反。當(dāng)電流流過電感時(shí)，兩只線圈產(chǎn)生的磁通在磁芯中相互抵消，不會(huì)使磁芯飽和。在低頻段，干擾信號(hào)比較弱，共模電感選用的磁性材料要求具有較高的磁導(dǎo)率。在實(shí)際使用中除了要考慮較高的磁導(dǎo)率，還要考慮磁性材料在電路中的特性。下面選取了幾種常用的磁性材料進(jìn)行分析[2]，其性能如表1，不同材料的頻率與阻抗曲線如圖3。

表1 不同磁性材料磁性能對(duì)比

圖3 不同磁性材料的頻率與阻抗曲線

曲線IV是外國專門用于抗共模干擾用的電感磁芯(錳鋅鐵氧體PC40)所呈現(xiàn)的阻抗特性，曲線Ⅲ是國產(chǎn)鐵氧體的阻抗特性。由于鐵氧體的電阻率較高，在100～10kHz的低頻段感抗起主要作用，故在該頻段內(nèi)鐵氧體對(duì)干擾的抑制作用較小。超微晶(曲線Ⅱ)和金屬磁性材料薄膜合金1J851(曲線Ⅰ)材料由于材料本身的電阻率比較低，隨頻率增加時(shí)，其渦流損耗也增加，其等效阻抗Z比鐵氧體大得多。在10～100kHz的頻段內(nèi)，幾種材料的阻抗都在變大，雖然兩種鐵氧體曲線的斜率要大于其他兩種材料，但是超微晶(曲線Ⅱ)和金屬磁性材料薄膜合金1J851(曲線Ⅰ)材料的阻抗仍然大于兩種鐵氧體。1M附近，進(jìn)口鐵氧體的阻抗達(dá)到峰值，阻抗最大，1J851次之，國產(chǎn)鐵氧體排第三。故針對(duì)該阻抗曲線可以得出以下結(jié)論：

（1）在100～100kHz頻段內(nèi)金屬磁性材料薄膜合金1J851最優(yōu)，超微晶次之。

（2）在1MHz附近進(jìn)口鐵氧體最優(yōu)。

頻率越高，磁芯損耗越大，阻抗就越小。一般磁導(dǎo)率高的材料，高頻損耗也大，因此要對(duì)更高頻率的干擾起到抑制作用，就需要更低的磁導(dǎo)率與更低的分布電容。所以比起超微晶(曲線Ⅱ)和金屬磁性材，鐵氧體更適合使用在高頻段。

鐵氧體分為錳鋅和鎳鋅，鎳鋅材料的特點(diǎn)是初始磁導(dǎo)率低（＜1000μ），但是它們可在非常高的頻率（＞100MHz）下保持磁導(dǎo)率不變。相反，錳鋅材料的磁導(dǎo)率可超過15000，但是在頻率為20kHz時(shí)磁導(dǎo)率就可能開始下降。因?yàn)殒囦\材料磁芯的初始磁導(dǎo)率較低，所以，它在低頻時(shí)不能產(chǎn)生足夠高的阻抗，干擾主要部分的頻率大于10或者20MHz時(shí)，他們是常用的材料。錳鋅材料磁芯在低頻(50MHz下，特別是10MHz以下)時(shí)有很高的磁導(dǎo)率，故適合使用于抑制低頻段的干擾。

3 實(shí)物測試

搭建測試平臺(tái)，同一臺(tái)產(chǎn)品，在DC/DC變換器輸入端加上鎳鋅共模電感后測試結(jié)果如圖4、圖5所示。從圖片中可以看出，鎳鋅電感對(duì)15～30M頻段的干擾有明顯的抑制作用[3]。

圖4 輸入端未加電感

圖5 輸入端加鎳鋅電感

4 結(jié)束語

在EMC中需針對(duì)問題頻段選擇合適磁性材料的共模電感，單個(gè)電感也不可能在所有頻段都有良好的抑制作用，如何選擇合適的材料并將它們?cè)陔娐分薪M合使用以達(dá)到最優(yōu)效果還需要我們進(jìn)行更多的探索。