磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應用

摘要：介紹了用鐵硅鋁磁粉芯制作的單級和雙級濾波器的頻率響應特性。對應用三種不同磁粉芯材料（鐵鎳鉬合金、50％鐵鎳合金、鐵硅鋁合金）所制成的濾波器的性能進行了測試，并給出相關的特性曲線。

　　1引言

鐵鎳鉬合金MPP，高磁通鐵鎳50％HF合金和鐵硅鋁合金SUPERMSS等三種不同材料的磁粉芯已被廣泛地應用在電源濾波電感之中。特別是在抑制和過濾差模傳導EMI的線路濾波（PowerLineFiltering）電路中，上述三種磁粉芯都有獨具特色的應用。本文將從濾波電路簡介開始，再通過實例說明使用多只電感器在濾波電路中的優(yōu)點。

除此之外，還將對上述三種不同磁粉芯材料所制作的電感器，在一定的工作頻率和不同電流下所產(chǎn)生的功率損耗和電感穩(wěn)定性做逐一對比。對應不同的工作頻率，電感器可以得到不同的等效串聯(lián)電感，等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)阻抗，這些數(shù)值反映了繞線分布電容大小和磁粉芯中渦流損耗的大小。

圖1單級和雙級濾波器示意圖

(a)單級濾波器（15A）(b)雙級濾波器（15A）

2單級與多級濾波器

在電力和電子功率變換系統(tǒng)中，濾波器均采用L?C電路。這種濾波器一般為“低通濾波器”。

濾波器設計非常復雜，需要數(shù)學計算，計算機輔助工程和實際經(jīng)驗相結合。

本文考慮兩種濾波器，如圖1所示，一種是單級（一只電感和一只電容組成），另一種是雙級（兩只電感和兩只電容）。

接有濾波器的電路具有明顯的頻率響應特性，但是由于負載和電源的阻尼作用，頻率響應又是有限的。在實際應用中，還要考慮電感器繞組電阻，磁粉芯損耗，電容器引線、電極和介質(zhì)損耗影響。更高頻率下的損耗構成附加阻尼有利于濾波器穩(wěn)定運行。而且寄生參數(shù)（如電容器引線電感和電感繞組的分布電容）都會對濾波器性能產(chǎn)生影響。

寄生參數(shù)如圖2所示，RS為電感器的等效串聯(lián)電阻，RC為電容器的等效串聯(lián)電阻。

用幾種型號的美國阿諾公司SUPER－MSS鐵硅鋁磁粉芯制做單級濾波器和雙級濾波器，具體設計參數(shù)為：

圖2單級濾波器中考慮寄生參數(shù)的電路圖和實驗及源負載示意圖

圖3等效串聯(lián)電感和電阻與頻率的關系曲線

圖4等效并聯(lián)電容和電阻與頻率之間的關系曲線

圖5增益和相位與頻率的關系曲線（對單級濾波器）

圖6增益和相位與頻率的關系曲線（對雙級濾波器電路）

圖7復合增益和相位與頻率關系曲線（對單級和雙級濾波器）

（1）單級濾波器電感磁芯采用一只鐵硅鋁MS－130060－2型(磁導率為60)，電感量為13.2μH，電感繞組導線采用3股18AWG線規(guī)漆包線，DC直流電阻值為4.5mΩ，電容器采用一只聚丙烯電容，電容量為15μF。

（2）雙級濾波器兩只電感分別采用兩只鐵硅鋁MS－106060－2型（磁導率為60），每只電感量為7.95μH，電感繞組導線也采用與單級濾波器相同的三股18AWG漆包線，圈數(shù)為10圈，電感總電阻為5.4mΩ，電容器分別采用兩只聚丙烯電容，電容量分別為15μF。由于每只電感所繞的圈數(shù)少，所以在同樣電流下所產(chǎn)生的直流磁場強度要低14.5％。

　　對該二種濾波器的頻率響應特性，用HP4194A阻抗/增益－相位分析儀進行測試，實驗信號電壓0.5Vrms。結果如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示。

從圖3可以看到，兩種濾波電路（單級和雙級）的等效串聯(lián)電感量（Ls）和電阻值（Rs）隨頻率變化的曲線。電感量大的單級濾波器的自振頻率在26MHz，電感量小的雙級濾波器在40MHz以上時還具有電感特性?；蛘哒f電感量小的雙級濾波器，其工作頻率范圍較寬。

圖4顯示了電容器有關數(shù)值與頻率的關系曲線，即等效并聯(lián)電容（Cp）和等效并聯(lián)電阻（Rp）隨頻率變化的曲線?？梢钥吹?，電容器與其引線電感發(fā)生諧振的頻率大約在250kHz。

為了說明多級濾波電路的優(yōu)點，現(xiàn)把單級和雙級濾波器的頻率響應曲線分別示于圖5和圖6。測試條件使用了最偏離電源的電路工作參數(shù)，輸入源阻抗為50Ω，負載阻抗也是50Ω。在典型的電路中，阻抗值是變化的，并不總是匹配的，尤其在低頻下，阻抗值會非常低。雖然實驗條件與實際應用的電路條件不一樣，但是，實驗結果表明，用來對單級濾波器和雙級濾波器做對比，可以得到許多有用的實驗數(shù)據(jù)。

例如：對于每種濾波器而言，衰減量達到最大（增益達到最小值）的原因都是由于電容器與其引線電感發(fā)生諧振所造成的。對于單級濾波器，這一點發(fā)生在175kHz。所以盡量縮短電容器引線長度的重要性是非常明顯的。隨著頻率從175kHz增加，衰減又開始減少（增益增加），這是因為引線電感阻礙了每只電容器返回電流的流動。

另一個重要的結果是，雙級濾波器在20kHz頻率點下，具有最低的衰減（最高的增益）。從理論計算，雙級濾波器應該視同于2個單級濾波器在14.6kHz頻率點上的效果，但是由于電容C1，電感L2和電容C3的阻尼效果，所以頻率點變到了20kHz。在20kHz頻率點，產(chǎn)生了大約30dB的衰減。超過這個頻率點之后，雙級濾波器的增益衰減在60kHz,比單級濾波器還要低20dB。

最后還可以注意到，雙級濾波器在300kHz到1MHz范圍內(nèi)，增益衰減都比單段濾波器大10dB。附加電感和電容減少了電容引線的電感效果。在美國，因為無線電調(diào)幅AM波段是在540kHz到1.6MHz之間，這樣對于改善此波段內(nèi)的濾波器性能，非常有利。

上述濾波器測試條件為，將電容器側(cè)作為輸入或參考通道，將電感器側(cè)作為測試通道。通過觀察可以看到，頻率響應特性在上述測試連接方式和采用電感器側(cè)連接到參考通道，將電容器連接到測試通道的結果是相似的。因此，上述實驗結果也適用于電感器輸入型電路。

3電源濾波器

濾波器通常用于電路或一部分電路以防止電磁干擾（EMI）。不設濾波器則無用的電信號將會沿著電源線或共用母線傳導引起EMI，而傳導干擾也能繼發(fā)射頻干擾（RFI），這是因為電源線對于高頻則是一天線。濾波器的作用就是防止在供電的同時將電噪聲傳導到電力線上。

　　對于那些連接到公用電上的電子、電器設備而言，各國政府機構都對特定的頻率范圍內(nèi)所允許的最大傳導噪聲電壓有具體的規(guī)定。比如，美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）就規(guī)定，在450kHz到30MHz頻段內(nèi)的無線電射頻干擾，應限制在48dBμV（250μV）以下。這種規(guī)定的目的就是要防止射頻干擾對公共電子設施，如無線電、電視機、電話機等的干擾。

在電子系統(tǒng)中對電源輸出端噪聲的限制，要由其負載的需要決定。在大多數(shù)情況下，噪聲的濾除是由前述的濾波元件（電感器和電容器）來完成的，由它們抑制輸出電壓的脈動。為了抑制電源輸出端的EMI，有時設計二級濾波。

在含有開關器件的設備中，比如開關電源的功率晶體管和二極管，都需要在電源輸入端加裝EMI濾波器。在電路中電流的突然變化會導致電壓的短暫升高（或稱電壓尖峰），這個電壓尖峰既施加在輸入導體之間，也施加在導體與地線之間。

在輸入導線之間的EMI電壓稱之為差模噪聲。導線對接地端的噪聲稱之為共模噪聲。對于抑制共模噪聲的電感器，需要在一個磁芯上繞制兩組電流方向相反的導線，并使用高磁導率的磁芯。

相反，對于抑制差模噪聲的電感器，則要求磁芯材料在偏磁場下仍然能夠保持磁導率指標。圖8中，標出了流經(jīng)電感器的電流I，電壓V和磁芯中的磁場強度曲線，并且畫出了差模濾波器和共模濾波器在開關電源中的應用線路圖。在輸入端，可以是交流輸入（如市電），也可以是電池供電（如48V，用于電信設備中）。當電池供電時，磁化電流是恒定的直流電。對于高功率因數(shù)的交流電系統(tǒng)，磁化電流接近正弦波波形。而低功率因數(shù)的交流電系統(tǒng)，其磁化電流則由一系列的交變脈沖疊加組成。

三種磁粉芯材料（鐵鎳鉬MPP，鐵鎳HF和鐵硅鋁SUPERMSS）最適合用于差模濾波器中的電感（有時這種電感也稱之為“串模電感”或“扼流圈”）。原因是這三種磁粉芯材料在偏磁場下具有極好的電感量保持能力。鐵鎳50％HF高磁通磁粉芯（美國阿諾公司注冊商標Hi－FluxTM），特別適合用于高磁通密度工作條件。為了便于比較，圖9標明了三種不同材料磁粉芯在直流偏磁場下的磁導率變化曲線。

圖8典型的EMI濾波器電路配置和差模電感器上的電壓，電流以及磁滯回線

(a)電路(b)磁滯回線(c)電感器上電壓、電流

圖9磁導率與DC直流偏磁關系曲線

圖10磁芯損耗與磁通密度關系曲線

圖9中的曲線是對三種不同材料的磁粉芯，在相同尺寸，相同磁導率，單級濾波器電路中測試得到的數(shù)據(jù)而繪出的。磁芯分別為鐵鎳鉬MPP磁粉芯（A－291061－2）；鐵鎳50％HF合金（HF－130060－2）；和鐵硅鋁SUPERMSS合金（MS－130060－2），尺寸均為外徑33.02mm×內(nèi)徑19.94mm×高度10.67mm，磁導率相同（60）。由圖9可知三種材料的磁導率隨直流偏磁的增大而減小。

所謂“完全繞線磁芯”，指繞線后的磁芯，漆包線繞線厚度正好達到磁芯原來內(nèi)徑的一半位置。通常，在生產(chǎn)工藝中，需要考慮使繞線機上的線鉤或線梭在繞制最后一圈漆包線時，還可以有足夠的空間。在本實例中，電感量為1.9mH，這個電感量數(shù)值是典型的線路濾波所需要的電感量。一般而言，濾波電感的電感量選擇范圍在幾個μH到幾個mH之間。

在工頻下，要求磁芯損耗低，以便充分發(fā)揮磁芯材料的高飽和磁通密度性能。圖10是對高磁通鐵鎳50HF磁粉芯測試結果而繪制的曲線。由于高磁通鐵鎳50HF磁粉芯有高的損耗，所以可以用在工作條件最惡劣的情況。在400Hz，9000Gs磁通密度下，它的磁芯損耗為200mW/cm3。在50Hz或60Hz下工作，磁通密度的使用上限要根據(jù)磁芯磁導率變化的大小確定，具體可參見圖11。

另外一個需要重點考慮的因素是，電感量會隨頻率變化而變化。圖12，圖13和圖14所示的是，三種不同磁粉芯材料（MPP，HF和SUPERMSS）繞制的電感器（采用單層繞線，電感量為60μH），它們各自的等效電感、等效串聯(lián)電阻、等效阻抗與頻率的關系曲線。

從圖12可看到，高磁通鐵鎳HF磁粉芯的等效串聯(lián)電感值隨頻率增加而跌落，這是由于其磁導率下

圖11磁通密度與磁導率的關系曲線

圖12等效串聯(lián)電感和頻率的關系曲線（單層繞線條件下）

圖13等效串聯(lián)電阻與頻率的關系曲線（單層繞線條件下）

圖14阻抗與頻率的關系曲線（單層繞線條件下）

圖15等效串聯(lián)電感/電阻和頻率的關系曲線（100kHz?1MHz）

圖16阻抗與頻率的關系曲線（100kHz?1MHz）

圖17單層和完全繞線設計情況下等效串聯(lián)

圖18單層和完全繞線設計情況下阻抗與頻率的關系曲線

降所致。其根本原因在于頻率增高后渦流損耗隨之增大所造成的。正如前所述，在高頻下的損耗對濾波器來說是一個優(yōu)點，這是因為這個損耗對阻尼衰減提供了附加的穩(wěn)定因素。圖15是對圖12和圖13、圖16是對圖14在100kHz到1MHz范圍內(nèi)的曲線進行的局部放大圖，以便更清楚地看到三種磁粉芯的串聯(lián)等效電感和等效電阻及等效阻抗隨頻率變化的趨勢?？梢院苊黠@地看到，鐵硅鋁SUPERMSS在高頻下的渦流損耗是最低的，所以它的電感量（磁導率）和電阻都是變化最小的或基本不變的。

最后，看一下電感器的分布電容（對單層和多層繞線做比較）與頻率的關系曲線，見圖17和圖18。從圖中看到，超過1.6MHz之后，這個雜散電容確實使成本高的多層電感器的阻抗比成本較低的單層電感器的阻抗要低。

4結語

三種磁粉芯材料都非常適合用于電源濾波。高磁通鐵鎳50％HF磁粉芯的性能最好，因為它在高飽和磁通密度下具有保持電感量的能力，同時它還提供在高頻下所需要的阻尼衰減功能。

另外一個需要重點考慮的因素是，由于磁性材料本身所具有的磁致伸縮所產(chǎn)生的音頻噪聲。而高磁通HF鐵鎳50％磁粉芯在50Hz或60Hz下，會產(chǎn)生音頻噪聲（嗡嗡聲）。當然，直流磁化電流不會產(chǎn)生音頻噪聲，所以它最適合用作電池供電的電源系統(tǒng)中輸入濾波電感。

鐵鎳鉬MPP磁粉芯和鐵硅鋁SUPERMSS磁粉芯都具有特別低的磁致伸縮系數(shù)，它們都不會產(chǎn)生音頻噪聲。鐵鎳鉬MPP磁粉芯在直流偏磁場下的磁導率變化量最小，這是它的一個優(yōu)點。由于50Hz或60Hz交流電與音頻頻率相比幾乎可以認為是近似直流，所以可以用在直流偏磁下三種磁粉芯磁導率變化曲線，來推測50Hz或60Hz電流偏磁場下的磁導率變化趨勢。鐵硅鋁SUPERMSS磁粉芯的單位體積制造成本（價格）最低，最適合用于一般電源濾波電感，具有很高的性能價格比。而鐵鎳鉬MPP和高磁通鐵鎳50％HF磁粉芯的價格水平差不多，鐵鎳鉬MPP磁粉芯最高。