電磁兼容問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)今電子設(shè)計(jì)制造中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用中的電磁兼容問(wèn)題十分復(fù)雜，絕不是依靠理論知識(shí)就能夠解決的，它更依賴于廣大電子工程師的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。為了更好地解決電子產(chǎn)品的電磁兼容性這一問(wèn)題，要同時(shí)考慮接地、電路與PCB板設(shè)計(jì)、電纜設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)等問(wèn)題。本文介紹了鐵氧體磁珠的特性，并且根據(jù)它的特性詳細(xì)探討了它在開關(guān)電源電磁兼容設(shè)計(jì)中的重要應(yīng)用，給出了在電源線濾波器中的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果。
鐵氧體磁珠
1.鐵氧體電磁干擾抑制元件
鐵氧體是一種立方品格結(jié)構(gòu)的亞鐵磁性材料。它的制造工藝和機(jī)械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色。電磁干擾濾波器中經(jīng)常使用的一類磁芯就是鐵氧體材料，許多廠商都提供專門用于電磁干擾抑制的鐵氧體材料。這種材料的特點(diǎn)是高頻損耗非常大。對(duì)于抑制電磁干擾用的鐵氧體，最重要的性能參數(shù)為磁導(dǎo)率μ和飽和磁通密度Bs。磁導(dǎo)率μ可以表示為復(fù)數(shù)，實(shí)數(shù)部分構(gòu)成電感，虛數(shù)部分代表?yè)p耗，隨著頻率的增加而增加。因此，它的等效電路為由電感L和電阻R組成的串聯(lián)電路，L和R都是頻率的函數(shù)。當(dāng)導(dǎo)線穿過(guò)這種鐵氧體磁芯時(shí)，所構(gòu)成的電感阻抗在形式上是隨著頻率的升高而增加，但是在不同頻率時(shí)其機(jī)理是完全不同的。
在低頻段，阻抗由電感的感抗構(gòu)成，低頻時(shí)R很小，磁芯的磁導(dǎo)率較高，因此電感量較大，L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制;并且這時(shí)磁芯的損耗較小，整個(gè)器件是一個(gè)低損耗、高Q特性的電感。這種電感容易造成諧振。因此，在低頻段有時(shí)可能出現(xiàn)使用鐵氧體磁珠后干擾增強(qiáng)的現(xiàn)象。
在高頻段，阻抗由電阻構(gòu)成，隨著頻率升高，磁芯的磁導(dǎo)率降低，導(dǎo)致電感的電感量減小，感抗成分減小。但是，這時(shí)磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導(dǎo)致總的阻抗增加。當(dāng)高頻信號(hào)通過(guò)鐵氧體時(shí)，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能的形式耗散掉。
鐵氧體抑制元件廣泛應(yīng)用于印制電路板、電源線和數(shù)據(jù)線上。如在印制板的電源線入口端加上鐵氧體抑制元件，就可以濾除高頻干擾。鐵氧體磁環(huán)或磁珠專用于抑制信號(hào)線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾，它也具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。
2.磁珠原理和特性
磁珠，也就是通常所說(shuō)的鐵氧體珠，其構(gòu)成形式如圖1所示。
圖1 磁珠的組成
當(dāng)電流流過(guò)其中心孔的導(dǎo)線時(shí)，便會(huì)是磁珠內(nèi)部產(chǎn)生循環(huán)流動(dòng)的磁道。用于EMI控制的鐵氧體配制時(shí)，可以把大部分磁通作為材料中的熱散掉。這個(gè)現(xiàn)象可以由一個(gè)電感器和一個(gè)電阻器的串聯(lián)組合來(lái)模擬，如圖2所示。
圖2 磁珠與頻率有關(guān)的等效電路
圖2中兩個(gè)元件的數(shù)值大小與磁珠的長(zhǎng)度成正比，而且磁珠的長(zhǎng)度對(duì)抑制效果有明顯影響，磁珠長(zhǎng)度越長(zhǎng)抑制效果越好。由于信號(hào)能量呈磁耦合加到磁珠上，故電感器的電抗與電阻的大小隨頻率的升高而增大。磁耦合的效率取決于磁珠材料相對(duì)于空氣的導(dǎo)磁率。通常組成磁珠的鐵氧體材料的損耗可以通過(guò)其相對(duì)于空氣的導(dǎo)磁率，表示成一個(gè)復(fù)數(shù)量。
式中，μ′r表示鐵氧體材料的磁密度，決定整個(gè)結(jié)構(gòu)的電感能力;μ′r′代表鐵氧體材料的損耗，決定電阻的大小。
磁性材料常用比值μ′r′/μ′r表征出損耗角Tam。用于EMI抑制元件要求較大的損耗角，這意味著大部分干擾都將被耗散而不被反射。目前出現(xiàn)的各種各樣的可用鐵氧體材料，為設(shè)計(jì)人員將磁珠用于不同場(chǎng)合提供了很大的選擇余地。
3.磁珠的應(yīng)用
3.1尖峰抑制器
開關(guān)電源最大的缺點(diǎn)就是容易產(chǎn)生噪聲和干擾，這是長(zhǎng)期困擾開關(guān)電源的一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。開關(guān)電源的噪聲主要是由開關(guān)功率管和開關(guān)整流二級(jí)管快速變化的高壓切換和脈沖短路電流所引起。因此采用有效元件把它們限制到最小程度是抑制噪聲的主要方法之一。通常采用非線性飽和電感來(lái)抑制反向恢復(fù)電流尖峰，此時(shí)鐵芯的工作狀態(tài)是從一Bs到+Bs。根據(jù)在開關(guān)電源續(xù)流二極管上的高磁導(dǎo)率與可飽和性的超小型電感元件(磁珠)特性的一致性，開發(fā)出用來(lái)抑制開關(guān)電源開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的峰值電流的尖峰抑制器。
尖峰抑制器的性能特點(diǎn)：
(1)初始和最大電感值很高，飽和后殘余電感值非線性極不明顯。串聯(lián)接入回路后，電流升高瞬間顯示出高阻抗，可以作為所謂的瞬間阻抗元件使用。
(2)適用于防止半導(dǎo)體回路中瞬態(tài)電流峰值信號(hào)、沖擊激勵(lì)電路和由此而伴生的噪聲，還可以防止半導(dǎo)體損壞。
(3)剩余電感極小，電路穩(wěn)定時(shí)損耗很小。
(4)與鐵氧體制品的性能絕然不同。
(5)只要避免磁飽和，可作為超小型、高電感量的電感元件使用。
(6)可以作為低損耗的高性能可飽和鐵芯用于控制和產(chǎn)生振蕩。
尖峰抑制器要求鐵芯材料具有較高的磁導(dǎo)率，以得到較大的電感量;高矩形比使鐵芯飽和時(shí)，電感量應(yīng)迅速下降到零;矯頑力小、高頻損耗低，否則鐵芯放熱不能正常工作。
尖峰抑制器用途主要表現(xiàn)在減小電流尖峰信號(hào);降低由于電流峰值信號(hào)引起的噪聲;防止開關(guān)晶體管的損壞;減低開關(guān)晶體管的開關(guān)損耗;補(bǔ)償二極管的恢復(fù)特性;防止高頻脈沖電流沖擊激勵(lì)，作為超小型的線路濾波器使用等方面。
3.2濾波器
普通濾波器是由無(wú)損耗的電抗元件構(gòu)成的，它在線路中的作用是將阻帶頻率反射回信號(hào)源，所以這類濾波器又叫反射濾波器。當(dāng)反射濾波器與信號(hào)源阻抗不匹配時(shí)，就會(huì)有一部分能量被反射回信號(hào)源，造成干擾電平的增強(qiáng)。為解決這一弊病，可在濾波器的進(jìn)線上使用鐵氧體磁環(huán)或磁珠套，利用磁環(huán)或磁珠對(duì)高頻信號(hào)的渦流損耗，把高頻成分轉(zhuǎn)化為熱損耗。因此磁環(huán)和磁珠實(shí)際上對(duì)高頻成分起吸收作用，所以有時(shí)也稱之為吸收濾波器。
不同的鐵氧體抑制元件，有不同的最佳抑制頻率范圍。通常磁導(dǎo)率越高，抑制的頻率就越低。此外，鐵氧體的體積越大，抑制效果越好。在體積一定時(shí)，長(zhǎng)而細(xì)的形狀比短而粗的抑制效果好，內(nèi)徑越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情況下，還存在鐵氧體飽和的問(wèn)題，抑制元件橫截面越大，越不易飽和，可承受的偏流越大。
基于以上磁珠原理和特性，應(yīng)用在開關(guān)電源的濾波器中，收效明顯。圖3為磁珠對(duì)EMC的影響測(cè)試圖。從圖3的測(cè)試結(jié)果便可看到應(yīng)用磁珠的明顯不同。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果看到，由于開關(guān)電源電路、結(jié)構(gòu)布局、功率的影響，有時(shí)對(duì)差模干擾有很好的抑制作用，有時(shí)對(duì)共模干擾有很好的抑制作用，有時(shí)對(duì)干擾起不到抑制作用反而會(huì)增加噪聲干擾。
(a)不加磁珠測(cè)試結(jié)果
(b)加磁珠測(cè)試結(jié)果
圖3 磁珠對(duì)EMC的影響
EMI吸收磁環(huán)珠抑制差模干擾時(shí)，通過(guò)它的電流值正比于其體積，兩者失調(diào)造成飽和，降低了元件性能;抑制共模干擾時(shí)，將電源的兩根線(正負(fù))同時(shí)穿過(guò)一個(gè)磁環(huán)，有效信號(hào)為差模信號(hào)，EMI吸收磁環(huán)珠對(duì)其沒(méi)有任何影響，而對(duì)于共模信號(hào)則會(huì)表現(xiàn)出較大的電感量。磁環(huán)的使用中還有一個(gè)較好的方法是讓穿過(guò)的磁環(huán)的導(dǎo)線反復(fù)繞幾下，以增加電感量。可以根據(jù)它對(duì)電磁干擾的抑制原理，合理使用它的抑制作用。
鐵氧體抑制元件應(yīng)當(dāng)安裝在靠近干擾源的地方。對(duì)于輸入出電路，應(yīng)盡量靠近屏蔽殼的進(jìn)、出口處。對(duì)鐵氧體磁環(huán)和磁珠構(gòu)成的吸收濾波器，除了應(yīng)選用高磁導(dǎo)率的有耗材料外，還要注意它的應(yīng)用場(chǎng)合。它們?cè)诰€路中對(duì)高頻成分所呈現(xiàn)的電阻大約是十至幾百Q(mào)，因此它在高阻抗電路中的作用并不明顯，相反，在低阻抗電路(如功率分配、電源或射頻電路)中使用將非常有效。
結(jié)束語(yǔ)
本文總結(jié)了磁珠在開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。由于鐵氧體可以衰減高頻同時(shí)讓低頻幾乎無(wú)阻礙地通過(guò)，故在EMI控制中得到了廣泛地應(yīng)用。用于EMI吸收的磁環(huán)珠可制成各種的形狀，廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。如在PCB板上，可加在DC/DC模塊、數(shù)據(jù)線、電源線等處。它吸收所在線路上高頻干擾信號(hào)，但卻不會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生新的零極點(diǎn)，不會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它與電源濾波器配合使用，可很好的補(bǔ)充濾波器高頻端性能的不足，改善系統(tǒng)中濾波特性。開關(guān)電源專業(yè)研究人員，應(yīng)充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，把磁環(huán)、磁珠等鐵氧體材料靈活應(yīng)用到開關(guān)電源的開發(fā)中去，使其在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中發(fā)揮更大的作用，以提高產(chǎn)品的電磁兼容性，并且減小體積、降低成本。
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