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磁珠在开关电源EMC设计中的应用

《通信电源技术》杂志 2005-04-23 00:00:00

 王继红 王志鹏
(同济大学电气系,上海 200331)

摘要:文中介绍了铁氧体磁珠的特性,并且根据它的特性详细分析和介绍了其在开关电源电磁兼容设计中的重要应用,给出了在电源线滤波器中的实验和测试结果。
关键词:开关电源;EMC;EMI;铁氧体;磁珠
中图分类号:    文献标识码:
Applications of Magnetic Bead in EMC Design of Switching Mode Power Supply
WANG Jji-hong   WANG Zhi-peng
(Department of Electrical Engineering, Tongji UNIversity, Shanghai 200331, China)

Abstract:The characteristics of ferrite magnetic bead are introduced, and its important applications in EMC design of switching mode power supply are analyzed, finally the results of experiments and tests in power line filter are given in this paper.
Keywords:switching mode power supply;EMC(Electro Magnetic Compatibility);EMI(Electro Magnetic Interference);ferrite;magnetic bead

0 引言
    电磁兼容问题已经成为当今电子设计制造中的热点和难点问题。实际应用中的电磁兼容问题十分复杂,绝不是依靠理论知识就能够解决的,它更依赖于广大电子工程师的实际经验。为了更好地解决电子产品的电磁兼容性这一问题,主要要考虑接地、)电路与PCB板设计、电缆设计、屏蔽设计等问题。    
本文通过介绍磁珠的基本原理和特性来说明它在开关电源电磁兼容方面的重要性,以求为开关电源产品设计者在设计新产品时提供更多、更好的选择。
1 铁氧体电磁干扰抑制元件
铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似,颜色为灰黑色。电磁干扰滤波器中经常使用的一类磁芯就是铁氧体材料,许多厂商都提供专门用于电磁干扰抑制的铁氧体材料。这种材料的特点是高频损耗非常大。对于抑制电磁干扰用的铁氧体,最重要的性能参数为磁导率μ和饱和磁通密度Bs。磁导率μ可以表示为复数,实数部分构成电感,虚数部分代表损耗,随着频率的增加而增加。因此,它的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路,L和R都是频率的函数。当导线穿过这种铁氧体磁芯时,所构成的电感阻抗在形式上是随着频率的升高而增加,但是在不同频率时其机理是完全不同的。
在低频段,阻抗由电感的感抗构成,低频时R很小,磁芯的磁导率较高,因此电感量较大,L起主要作用,电磁干扰被反射而受到抑制;并且这时磁芯的损耗较小,整个器件是一个低损耗、高Q特性的电感,这种电感容易造成谐振因此在低频段,有时可能出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。
在高频段,阻抗由电阻成分构成,随着频率升高,磁芯的磁导率降低,导致电感的电感量减小,感抗成分减小  但是,这时磁芯的损耗增加,电阻成分增加,导致总的阻抗增加,当高频信号通过铁氧体时,电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。
铁氧体抑制元件广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上。如在印制板的电源线入口端加上铁氧体抑制元件,就可以滤除高频干扰。铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰,它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。
2 磁珠的原理和特性
磁珠,也就是通常所说的铁氧体珠,其构成形式如图1所示

图1 磁珠的组成
当电流流过其中心孔中的导线时,便会是磁珠内部产生循环流动的磁道。用于EMI控制的铁氧体配制时,应当可以把大部分磁通作为材料中的热散掉。这个现象可以由一个电感器和一个电阻器的串联组合来模拟。如图2所示

图2 磁珠与频率有关的等效电路
图2中两个元件的数值大小与磁珠的长度成正比,而且磁珠的长度对抑制效果有明显影响,磁珠长度越长抑制效果越好。
由于信号能量呈磁耦合加到磁珠上,故电感器的电抗与电阻的大小随频率的升高而增大。磁耦合的效率取决于磁珠材料相对于空气的导磁率。通常组成磁珠的铁氧体材料的损耗可以通过其相对于空气的导磁率,表示成一个复数量。

式中, 表示铁氧体材料的磁密度,决定整个结构的电感能力; 代表铁氧体材料的损耗,决定电阻的大小。    
磁性材料常常用由此比值 表征出损耗角 。用于EMI抑制元件要求较大的损耗角,这意味着大部分干扰都将被耗散而不被反射。目前出现的各种各样的可用铁氧体材料,为设计人员将磁珠用于不同场合提供了很大的选择余地。
3磁珠的应用
3.1 尖峰抑制器
开关电源最大的缺点就是容易产生噪声和干扰,这是长期困扰开关电源的一个关键的技术问题。开关电源的噪声主要是由开关功率管和开关整流二级管快速变化的高压切换和脉冲短路电流所引起。因此采用有效元件把它们限制到最小程度是抑制噪声的主要方法之一。通常采用非线性饱和电感来抑制反向恢复电流尖峰,此时铁芯的工作状态是从-Bs 到+Bs。根据在开关电源续流二极管上的高磁导率与可饱和性的超小型电感元件—磁珠特性的一致性,开发出用来抑制开关电源开关时产生的峰值电流的尖峰抑制器。
尖峰抑制器的性能特点:
(1) 初始和最大电感值很高,饱和后残余电感值非线性极不明显。串联接入回路后,电流升高瞬间显示出高阻抗,可以作为所谓的瞬间阻抗元件使用。
(2) 适用于防止半导体回路中瞬态电流峰值信号、冲击激励电路和由此而伴生的噪声,还可以防止半导体损坏。
(3) 剩余电感极小,电路稳定时损耗很小。
(4) 与铁氧体制品的性能绝然不同。
(5) 只要避免磁饱和,可作为超小型、高电感的电感元件使用。
(6) 可以作为低损耗的高性能可饱和铁芯用于控制和产生振荡。
尖峰抑制器要求铁芯材料具有较高的磁导率,以得到较大的电感量;高矩形比可使铁芯饱和时,电感量应迅速下降到零;矫顽力小、高频损耗低, 否则铁芯放热不能正常工作。
尖峰抑制器用途主要表现在减小电流尖峰信号;降低由于电流峰值信号引起的噪声;防止开关晶体管的损坏;减低开关晶体管的开关损耗;补偿二极管的恢复特性;     防止高频脉冲电流冲击激励。 作为超小型的线路滤波器使用等方面。
3.2在滤波器中的应用
  
a)不加磁珠测试结果                   b)加磁珠测试结果
                                        
c)L线加磁珠测试结果             d) N线加磁珠测试结果
图3磁珠对EMC的影响
普通滤波器是由无损耗的电抗元件构成的,它在线路中的作用是将阻带频率反射回信号源,所以这类滤波器又叫反射滤波器。当反射滤波器与信号源阻抗不匹配时,就会有一部分能量被反射回信号源,造成干扰电平的增强。为解决这一弊病,可在滤波器的进线上使用铁氧体磁环或磁珠套,利用滋环或磁珠对高频信号的涡流损耗,把高频成分转化为热损耗。因此磁环和磁珠实际上对高频成分起吸收作用,所以有时也称之为吸收滤波器。
不同的铁氧体抑制元件,有不同的最佳抑制频率范围。通常磁导率越高,抑制的频率就越低。此外,铁氧体的体积越大,抑制效果越好。在体积一定时,长而细的形状比短而粗的抑制效果好,内径越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情况下,还存在铁氧体饱和的问题,抑制元件横截面越大,越不易饱和,可承受的偏流越大。
基于以上磁珠原理和特性,应用在开关电源的滤波器中,收效明显。从图3的测试结果便可看到应用磁珠的明显不同。由实验结果看到,由于开关电源电路、结构布局、功率的影响,有时对差模干扰有很好的抑制作用,有时对共模干扰有很好的抑制作用,有时对干扰起不到抑制作用反而会增加噪声干扰。
EMI吸收磁环/磁珠抑制差模干扰时,通过它的电流值正比于其体积,两者失调造成饱和,降低了元件性能;抑制共模干扰时,将电源的两根线(正负)同时穿过一个磁环,有效信号为差模信号,EMI吸收磁环/磁珠对其没有任何影响,而对于共模信号则会表现出较大的电感量。磁环的使用中还有一个较好的方法是让穿过的磁环的导线反复绕几下,以增加电感量。可以根据它对电磁干扰的抑制原理,合理使用它的抑制作用。
铁氧体抑制元件应当安装在靠近干扰源的地方。对于输入/输出电路,应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处。对铁氧体磁环和磁珠构成的吸收滤波器,除了应选用高磁导率的有耗材料外,还要注意它的应用场合。它们在线路中对高频成分所呈现的电阻大约是十至几百Ω,因此它在高阻抗电路中的作用并不明显,相反,在低阻抗电路(如功率分配、电源或射频电路)中使用将非常有效。
4 结束语
由于铁氧体可以衰减较高频同时让较低频几乎无阻碍地通过,故在EMI控制中得到了广泛地应用。用于EMI吸收的磁环/磁珠可制成各种的形状,广泛应用于各种场合。如在PCB板上,可加在DC/DC模块、数据线、电源线等处。它吸收所在线路上高频干扰信号,但却不会在系统中产生新的零极点,不会破坏系统的稳定性。它与电源滤波器配合使用,可很好的补充滤波器高频端性能的不足,改善系统中滤波特性。广大开关电源专业研究人员,应充分发挥技术优势,把磁环、磁珠等铁氧体材料灵活应用到开关电源的开发中去,使其在开关电源设计中发挥更大的作用,以提高产品的电磁兼容性,并且减小体积、降低成本。
参考文献:
1. 李爱文,张承慧.现代逆变技术及其应用[M]北京:科学出版社,2000
[1] 钱照明,开关电源的EMC设计[J].电源世界,2002 (3):46~50
[2] 张占松,蔡宣三编著.开关电源的

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