探討EMC中共模電感的選擇

陳晨 王剛

蘇州長風航空電子有限公司 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、靈活性現已廣泛應用于遠程及數據通信、計算機、辦公自動化設備、軍事、航天等領域。對于DC/DC變換器來說，內部產生的干擾主要來自于開關電路。DC/DC變換器是利用開關電路開和關的時間比來控制輸出電壓的大小的，其通常在20KHz以上的開關頻率下工作，內部的dv/dt、di/dt很大，會產生較大的浪涌電壓及浪涌電流。除此之外，開關電路的輸出整流二極管也處于高頻通斷狀態，與高頻變壓器組成的回路也會產生同樣的干擾。這些干擾會通過電源線傳導出去，同時還向周圍輻射噪聲。

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。共模干擾在導線與地（機殼）之間傳輸，屬于非對稱性干擾，它定義為任何載流導體與參考地之間的不希望有的電位差；差模干擾在兩導線之間傳輸，屬于對稱性干擾，它定義為任何兩個載流導體之間的不希望有的電位差。在一般的DC/DC轉換電路中，共模干擾產生的干擾幅度大、頻率高還會通過導線產生輻射。差模干擾相對產生的干擾幅度小、頻率低。針對這兩種干擾[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）。在這個濾波電路中，共模電感的性能優劣對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。

2 共模電感磁芯材料的選用

根據磁性材料不同使用的特性和應用，可以將其分為軟磁、硬磁、壓磁等。我們平時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(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)。

應根據所針對的頻段選擇具有特定損耗頻率響應曲線的材料，這樣才能在需要衰減EMC信號的頻段內其損耗較大，因而可以把EMC衰減到最低電平，而在需要傳輸信號的頻段內損耗應較小，這樣信號容易通過。

EMC設計中常用的磁性材料主要是鐵氧體、磁粉芯、非晶態合金。針對實際應用中重點關注的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狀態。共模電感的阻抗（Zs）分為兩部分，一部分是串聯感抗（Xs），另外一部分是串聯電阻（Rs）。在低頻段時以感抗為主，高頻段以阻抗為主，兩種阻抗的結合即為磁芯的總阻抗。

圖2 頻率與阻抗關系曲線

如圖1中的L1是由磁環及繞在磁環上的兩個獨立的線圈組成，兩個線圈所繞圈數相同，繞向相反。當電流流過電感時，兩只線圈產生的磁通在磁芯中相互抵消，不會使磁芯飽和。在低頻段，干擾信號比較弱，共模電感選用的磁性材料要求具有較高的磁導率。在實際使用中除了要考慮較高的磁導率，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)所呈現的阻抗特性，曲線Ⅲ是國產鐵氧體的阻抗特性。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，故在該頻段內鐵氧體對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，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，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，進口鐵氧體的阻抗達到峰值，阻抗最大，1J851次之，國產鐵氧體排第三。故針對該阻抗曲線可以得出以下結論：

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

（2）在1MHz附近進口鐵氧體最優。

頻率越高，磁芯損耗越大，阻抗就越小。一般磁導率高的材料，高頻損耗也大，因此要對更高頻率的干擾起到抑制作用，就需要更低的磁導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，鎳鋅材料的特點是初始磁導率低（＜1000μ），但是它們可在非常高的頻率（＞100MHz）下保持磁導率不變。相反，錳鋅材料的磁導率可超過15000，但是在頻率為20kHz時磁導率就可能開始下降。因為鎳鋅材料磁芯的初始磁導率較低，所以，它在低頻時不能產生足夠高的阻抗，干擾主要部分的頻率大于10或者20MHz時，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)時有很高的磁導率，故適合使用于抑制低頻段的干擾。

3 實物測試

搭建測試平臺，同一臺產品，在DC/DC變換器輸入端加上鎳鋅共模電感后測試結果如圖4、圖5所示。從圖片中可以看出，鎳鋅電感對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 結束語

在EMC中需針對問題頻段選擇合適磁性材料的共模電感，單個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在電路中組合使用以達到最優效果還需要我們進行更多的探索。