磁珠在开关电源EMC

磁珠在开关电源EMC设计中的应用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。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。安全距离包括电气间隙（空间距离），爬电距离（沿面距离）和绝缘穿透距离1、电气间隙：两相邻导体或一个导体与相邻电机壳表面的沿空气测量的最短距离。2、爬电距离：两相邻导体或一个导体与相邻电机壳表面的沿绝绝缘表面测量的最短距离。电气间隙的决定：根据测量的工作电压及绝缘等级，即可决定距离一次侧线路之电气间隙尺寸要求，见表3及表4二次侧线路之电气间隙尺寸要求见表5但通常：一次侧交流部分：保险丝前L—N≥2.5mm，L.NPE（大地）≥2.5mm，保险丝装置之后可不做要求，但尽可能保持一定距离以避免发生短路损坏电源。一次侧交流对直流部分≥2.0mm一次侧直流地对大地≥2.5mm（一次侧浮接地对大地）一次侧部分对二次侧部分≥4.0mm，跨接于一二次侧之间之元器件二次侧部分之电隙间隙≥0.5mm即可二次侧地对大地≥1.0mm即可附注：决定是否符合要求前，内部零件应先施于10N力，外壳施以30N力，以减少其距离，使确认为最糟情况下，空间距离仍符合规定。爬电距离的决定：根据工作电压及绝缘等级，查表6可决定其爬电距离但通常：（1）、一次侧交流部分：保险丝前L—N≥2.5mm，L.N大地≥2.5mm，保险丝之后可不做要求，但尽量保持一定距离以避免短路损坏电源。2）、一次侧交流对直流部分≥2.0mm（3）、一次侧直流地对地≥4.0mm如一次侧地对大地4）、一次侧对二次侧≥6.4mm，如光耦、Y电容等元器零件脚间距≤6.4mm要开槽。5）、二次侧部分之间≥0.5mm即可（6）、二次侧地对大地≥2.0mm以上（7）、变压器两级间≥8.0mm以上3、绝缘穿透距离：应根据工作电压和绝缘应用场合符合下列规定：——对工作电压不超过50V（71V交流峰值或直流值），无厚度要求；——附加绝缘最小厚度应为0.4mm；——当加强绝缘不承受在正常温度下可能会导致该绝缘材料变形或性能降低的任何机械应力时的，则该加强绝缘的最小厚度应为0.4mm。如果所提供的绝缘是用在设备保护外壳内，而且在操作人员维护时不会受到磕碰或擦伤，并且属于如下任一种情况，则上述要求不适用于不论其厚度如何的薄层绝缘材料；——对附加绝缘，至少使用两层材料，其中的每一层材料能通过对附加绝缘的抗电强度试验；或者：——由三层材料构成的附加绝缘，其中任意两层材料的组合都能通过附加绝缘的抗电强度试验；或者：——对加强绝缘，至少使用两层材料，其中的每一层材料能通过对加强绝缘的抗电强度试验；或者：——由三层绝缘材料构成的加强绝缘，其中任意两层材料的组合都能通过加强绝缘的抗电强度试验。4、有关于布线工艺注意点：如电容等平贴元件，必须平贴，不用点胶如两导体在施以10N力可使距离缩短，小于安规距离要求时，可点胶固定此零件，保证其电气间隙。有的外壳设备内铺PVC胶片时，应注意保证安规距离（注意加工工艺）零件点胶固定注意不可使PCB板上有胶丝等异物。在加工零件时，应不引起绝缘破坏。5、有关于防燃材料要求：热缩套管V—1或VTM—2以上；PVC套管V—1或VTM—2以上铁氟龙套管V—1或VTM—2以上；塑胶材质如硅胶片，绝缘胶带V—1或VTM—2以上PCB板94V—1以上6、有关于绝缘等级（1）、工作绝缘：设备正常工作所需的绝缘（2）、基本绝缘：对防电击提供基本保护的绝缘（3）、附加绝缘：除基本绝缘以外另施加的独立绝缘，用以保护在基本绝缘一旦失效时仍能防止电击（4）、双重绝缘：由基本绝缘加上附加绝缘构成的绝缘（5）、加强绝缘：一种单一的绝缘结构，在本标准规定的条件下，其所提供的防电击的保护等级相当于双重绝缘各种绝缘的适用情形如下：A、操作绝缘oprationalinsulationa、介于两不同电压之零件间b、介于ELV电路（或SELV电路）及接地的导电零件间。B、基本绝缘basicinsulationa、介于具危险电压零件及接地的导电零件之间；b、介于具危险电压及依赖接地的SELV电路之间；c、介于一次侧的电源导体及接地屏蔽物或主电源变压器的铁心之间；d、做为双重绝缘的一部分。C、补充绝缘supplementaryinsulationa、一般而言，介于可触及的导体零件及在基本绝缘损坏后有可能带有危险电压的零件之间如：Ⅰ、介于把手、旋钮，提柄或类似物的外表及其未接地的轴心之间。Ⅱ、介于第二类设备的金属外壳与穿过此外壳的电源线外皮之间。Ⅲ、介于ELV电路及未接地的金属外壳之间。b、做为双重绝缘的一部分D、双重绝缘DoubleinsulationReinforcedinsulation一般而言，介于一次侧电路及a、可触及的未接地导电零件之间，或b、浮接（floating）的SELV的电路之间或c、TNV电路之间双重绝缘=基本绝缘+补充绝缘注：ELV线路：特低电压电路在正常工作条件下，在导体之间或