磁珠在開關電源EMC設計中的應用

文中介紹了鐵氧體磁珠的特性，并且根據它的特性詳細分析和介紹了其在開關電源EMC設計中的重要應用，給出了在電源線濾波器中的實驗和測試結果。

　　EMC問題已經成為當今電子設計制造中的熱點和難點問題。實際應用中的EMC問題十分復雜，絕不是依靠理論知識就能夠解決的，它更依賴于廣大電子工程師的實際經驗。為了更好地解決電子產品的EMC性這一問題，主要要考慮接地、）電路與PCB板設計、電纜設計、屏蔽設計等問題。

　　本文通過介紹磁珠的基本原理和特性來說明它在開關電源EMC方面的重要性，以求為開關電源產品設計者在設計新產品時提供更多、更好的選擇。

　　1 鐵氧體電磁干擾抑制元件

　　鐵氧體是一種立方晶格結構的亞鐵磁性材料。它的制造工藝和機械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色。電磁干擾濾波器中經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。這種材料的特點是高頻損耗非常大。對于抑制電磁干擾用的鐵氧體，最重要的性能參數為磁導率μ和飽和磁通密度Bs。磁導率μ可以表示為復數，實數部分構成電感，虛數部分代表損耗，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組成的串聯電路，L和R都是頻率的函數。當導線穿過這種鐵氧體磁芯時，所構成的電感阻抗在形式上是隨著頻率的升高而增加，但是在不同頻率時其機理是完全不同的。

　　在低頻段，阻抗由電感的感抗構成，低頻時R很小，磁芯的磁導率較高，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；并且這時磁芯的損耗較小，整個器件是一個低損耗、高Q特性的電感，這種電感容易造成諧振因此在低頻段，有時可能出現使用鐵氧體磁珠后干擾增強的現象。

　　在高頻段，阻抗由電阻成分構成，隨著頻率升高，磁芯的磁導率降低，導致電感的電感量減小，感抗成分減小 但是，這時磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導致總的阻抗增加，當高頻信號通過鐵氧體時，電磁干擾被吸收并轉換成熱能的形式耗散掉。

　　鐵氧體抑制元件廣泛應用于印制電路板、電源線和數據線上。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。鐵氧體磁環或磁珠專用于抑制信號線、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 磁珠的原理和特性
　　當電流流過其中心孔中的導線時，便會是磁珠內部產生循環流動的磁道。用于EMI控制的鐵氧體配制時，應當可以把大部分磁通作為材料中的熱散掉。這個現象可以由一個電感器和一個電阻器的串聯組合來模擬。如圖2所示

　　兩個元件的數值大小與磁珠的長度成正比，而且磁珠的長度對抑制效果有明顯影響，磁珠長度越長抑制效果越好。
由于信號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于空氣的導磁率。通常組成磁珠的鐵氧體材料的損耗可以通過其相對于空氣的導磁率，表示成一個復數量。

　　磁性材料常常用由此比值 表征出損耗角 。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。目前出現的各種各樣的可用鐵氧體材料，為設計人員將磁珠用于不同場合提供了很大的選擇余地。

　　3磁珠的應用

　　3.1 尖峰抑制器

　　開關電源最大的缺點就是容易產生噪聲和干擾，這是長期困擾開關電源的一個關鍵的技術問題。開關電源的噪聲主要是由開關功率管和開關整流二級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抑制反向恢復電流尖峰，此時鐵芯的工作狀態是從-Bs 到+Bs。根據在開關電源續流二極管上的高磁導率與可飽和性的超小型電感元件—磁珠特性的一致性，開發出用來抑制開關電源開關時產生的峰值電流的尖峰抑制器。

　　尖峰抑制器的性能特點

　　（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） 適用于防止半導體回路中瞬態電流峰值信號、沖擊激勵電路和由此而伴生的噪聲，還可以防止半導體損壞。
　　（3） 剩余電感極小，電路穩定時損耗很小。
　　（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生振蕩。

　　尖峰抑制器要求鐵芯材料具有較高的磁導率，以得到較大的電感量；高矩形比可使鐵芯飽和時，電感量應迅速下降到零；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在減小電流尖峰信號；降低由于電流峰值信號引起的噪聲；防止開關晶體管的損壞；減低開關晶體管的開關損耗；補償二極管的恢復特性； 防止高頻脈沖電流沖擊激勵。 作為超小型的線路濾波器使用等方面。

　　3.2在濾波器中的應用
　　a)不加磁珠測試結果
　　b)加磁珠測試結果
　　c)L線加磁珠測試結果
　　d) N線加磁珠測試結果

　　普通濾波器是由無損耗的電抗元件構成的，它在線路中的作用是將阻帶頻率反射回信號源，所以這類濾波器又叫反射濾波器。當反射濾波器與信號源阻抗不匹配時，就會有一部分能量被反射回信號源，造成干擾電平的增強。為解決這一弊病，可在濾波器的進線上使用鐵氧體磁環或磁珠套，利用滋環或磁珠對高頻信號的渦流損耗，把高頻成分轉化為熱損耗。因此磁環和磁珠實際上對高頻成分起吸收作用，所以有時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，長而細的形狀比短而粗的抑制效果好，內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，應用在開關電源的濾波器中，收效明顯。從測試結果便可看到應用磁珠的明顯不同。由實驗結果看到，由于開關電源電路、結構布局、功率的影響，有時對差模干擾有很好的抑制作用，有時對共模干擾有很好的抑制作用，有時對干擾起不到抑制作用反而會增加噪聲干擾。

　　EMI吸收磁環/磁珠抑制差模干擾時，通過它的電流值正比于其體積，兩者失調造成飽和，降低了元件性能；抑制共模干擾時，將電源的兩根線（正負）同時穿過一個磁環，有效信號為差模信號，EMI吸收磁環/磁珠對其沒有任何影響，而對于共模信號則會表現出較大的電感量。磁環的使用中還有一個較好的方法是讓穿過的磁環的導線反復繞幾下，以增加電感量。可以根據它對電磁干擾的抑制原理，合理使用它的抑制作用。

　　鐵氧體抑制元件應當安裝在靠近干擾源的地方。對于輸入／輸出電路，應盡量靠近屏蔽殼的進、出口處。對鐵氧體磁環和磁珠構成的吸收濾波器，除了應選用高磁導率的有耗材料外，還要注意它的應用場合。它們在線路中對高頻成分所呈現的電阻大約是十至幾百Ω，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。

　　由于鐵氧體可以衰減較高頻同時讓較低頻幾乎無阻礙地通過，故在EMI控制中得到了廣泛地應用。用于EMI吸收的磁環/磁珠可制成各種的形狀，廣泛應用于各種場合。如在PCB板上，可加在DC/DC模塊、數據線、電源線等處。它吸收所在線路上高頻干擾信號，但卻不會在系統中產生新的零極點，不會破壞系統的穩定性。它與電源濾波器配合使用，可很好的補充濾波器高頻端性能的不足，改善系統中濾波特性。廣大開關電源專業研究人員，應充分發揮技術優勢，把磁環、磁珠等鐵氧體材料靈活應用到開關電源的開發中去，使其在開關電源設計中發揮更大的作用，以提高產品的EMC性，并且減小體積、降低成本。