EMI滤波电感设计

EMI滤波电感设计EMI滤波器正常工作的开关类电源（SMPS）会产生有害的高频噪声，它能影响连接到相同电源线上的电子设备像计算机、仪器和马达控制。用一个EMI滤波器插入电源线和SMPS之间能消除这类干扰（图1）。一个差模噪声滤波器和一个共模噪声滤波器能够串联或在许多情况下单独使用共模噪声滤波器。图1EMI滤波器的插入一、共模电感设计在一个共模滤波器内，电感的每一个绕阻和电源输入线中的任一根导线相串联。（对于电源的输入线来讲）电感绕组的接法和相位是这样的，第一个绕组产生的磁通会与第二个绕组产生的磁通相削.于是，除了泄漏阻抗的小损耗和绕组的直流电阻以外，电感至电源输入线的插入阻抗为另。由于磁通的阻碍，SMPS的输入电流需要功率，因此将通过滤波器，滤波器应没有任何明显的损耗。共模噪声的定义是出现在电源输入线的一根或二根导线上的有害电流通过电感的地返回噪声源的噪声。此电流要视共模电感的任何一个或二个绕组的全部阻抗，因为它不能被返回的电流所抵消。共模噪声电压是电感绕组上的衰减，应从有害噪声中保持电源输入线的畅通。1.1、选择电感材料开关电源正常工作频率20KHz以上，而电源产生的有害噪声比20KHz高，往往在100KHz～50MHz之间。对于电感来讲，大多数选择适当和高效费比的铁氧体，因为在有害频带内能提供最高的阻抗。当看到公共参数如磁导率和损耗系数就去识别材料是困难的。图2给出铁氧体磁环J-42206-TC绕10匝后的阻抗ZS和频率的关系曲线。图2铁氧体磁环的阻抗和频率的关系在1～10MHz之间绕组到达最大阻抗，串联感抗XS和串联电阻RS（材料磁导率和损耗系数的函数）共同产生总阻抗Zt。图3所示为图2中铁氧体材料的磁导率和损耗系数与频率的函数关系。由于感抗引起的下降，导致磁导率在750KHz以上的下降；由于电阻取决高频的源阻抗所以损耗系数随频率而增加。图3铁氧体磁环的磁导率、损耗系数和频率的关系图4给出三种不同材料的总阻抗和频率的关系。J材料在超过1～20MHz范围内具有高的总阻抗，它最广泛地应用于共模滤波器的扼流圈。在1MHz，W材料阻抗比J材料高20-50％，当低频噪声是主要问题时经常应用J材料；K材料可用于2MHz以上，因为在此频率范围内它产生的阻抗比J材料高直至100％。在2MHz以上或以下，对于滤波器所要求的规范，J或W是优先的。图4三种不同材料的阻抗和频率的关系1.2、磁芯的形状对于共模噪声滤波器环形磁芯是最普及的，他们不贵、泄漏磁通也低。环形磁芯必须用手绕制（或在独特的环形绕线机上绕制）。正常情况要用一个非金属的分隔板放置在两个绕组之间，以及为了和PC板连接，这个绕制器件还需环氧化在印制板的头部。具有附件的E形磁芯比环形磁芯贵，但组装成一个整体只需较小的代价。绕制E形磁芯的骨架相对便宜。为了分隔两个绕组可购到有分隔板的骨架并可安装在PC板上。E形磁芯有更多的泄漏电感，在共模滤波器中对于不同的滤波是有用的。E形磁芯为了增加泄漏电感可以豁开缝隙，以便吸收有害的共模和差模噪声。1.3、磁芯的选择下面给出环形磁芯的设计步骤，单层共模电感见图5。为了尽量减小绕组电容和防止由于不对称绕组引起的磁芯饱和，单层设计是经常应用的。步骤中假设两个相反的绕组之间的最小自由空间为30度。图5单层共模电感的结构对于共模电感所需的基本参数是电流（I）、阻抗（ZS）、和频率（f）。电流决定导线的尺寸。一个保守的400A/cm2电流密度不会在导线上产生有效的热量。而一个过分的800A/cm2电流密度会引起导线发热，这两个等级可用选择图表表示。在所给频率上，规定一个最小的电感阻抗是正常的。这个频率通常足够低并假设感抗XS能提供图2所示的阻抗。随后电感可计算为：(2)(1)用已知的电感和电流乘积LI基础上的图6和图7能用于选择磁芯的尺寸，这里L是电感(mH)和I是电流（A）。建立在电流密度（Cd）400或800A/cm2基础上的导线尺寸（AWG）可用下式计算：(2)匝数可由磁芯的AL值决如下：（3）1.4、设计举例在10KHz阻抗为100Ω时,电流为3A，由式（1）计算得LS=1.59mH；用800A/cm2电流密度时,LI乘积为4.77，为了选择材料可从图7查得磁芯尺寸。在此例，选择W材料直至1MHz可以给出高的阻抗，见图4。图7给出磁芯材料为W-41809-TC。由表1可查得磁芯尺寸和AL值。用AL=12200mH/1000匝，式（3）给出N=12匝每边。用800A/cm2时,式（2）给出AWG=21。表1环形磁芯尺寸及其AL值二、整流电感设计典型的稳压器电路包含三个部分：晶体开关管、二极箝位管、和LC滤波器。一个不稳压的直流电压加到通常工作在1～50KHz频率的晶体开关管。当开关处在‘ON’状态时，输入电压Ein加到LC滤波器，结果导致通过电感的电流增大；当开关处在‘OFF’状态时，用储存在电感和电容内的过剩能量来保持输出功率。通过调整‘ON’状态时的晶体开关管的导通时间ton和用来自输出端的反馈系统来获得稳压。结果稳定的直流输出电压可表示为：Eout=Eintonf(4)图8典型的稳压器电路2.1、组件选择开关系统包含晶体管和来自稳压器输出的反馈。晶体管的选择包含两个因素：（1）电压等级需大于最大的输入电压（2）为了保证有效地工作，截止频率特性必须高于实际的开关频率。反馈电路通常包括运放和比较器。对于二极箝位管的要求和晶体管的选择相同。如果已知：（1）最大和最小的输入电压（2）要求的输出（3）最大允许的纹波电压（4）最大和最小的负载电流（5）想要的开关频率，那幺就可获得电感和电容的值。LC滤波器的设计就容易完成。首先晶体管的截止时间toff可计算为：toff=（1-Eout/Einmax）/f(5)当Ein减至它的最小值fmin=(1-Eout/Einmax)/toff(6)用这些值，所需的电感和电容可以算得：通过电感所允许的纹波峰-峰电流（Δi）可由下式给出：Δi=2IOmin(7)电感可用下式计算：L=Eouttoff/Δi（8）对于Δi的计算值是有点任意，不过对于电感可以调整以获得实际值。最小的电容可由下式给出：C=Δi/8fminΔeO（9）最后，电容最大的等效串联电阻ESR是：ESRmax=ΔeO/Δi（10）2.2、电感设计在高频下铁氧体E形和罐形磁芯能提供成本降低和低磁芯损耗的优点。对于开关稳压器，F和P材料被推荐是因为他们的温度和直流偏置特性。为避免饱和，可采用增加铁氧体型材气隙的办法使磁芯有效地使用。对于开关稳压器的应用，这些磁芯的选择步骤能简化电感的设计。假设绕组系数50％和导线载流容量为500园周面积（CircularMils）/安培，我们能决定最小的磁芯尺寸。设计应用的两个仅有参数必须知道：①电感需要用的直流偏置。②直流电流。（1）计算产品的LI2这里：L=具有直流偏置的所需电感I=最大直流输出电流I=IOmax+Δi(11)（2）将LI2值设置在铁氧体磁芯的选择图表中（P.4.15～4.18）。跟踪与第一根磁芯尺寸曲线相交的座标，在Y轴上可读得最大额定电感AL，它表示最小的磁芯尺寸和最大的AL，在那一点饱和将被避免。（3）若磁芯的AL较小于在座标上获得的最大值，那幺对于电感来说，任何磁芯尺寸线只要与LI2座标相交就表示是一个可使用的磁芯。若可能，使用标准气隙的判臼强扇〉模馐怯捎谒堑挠行浴Ｕ庑┰谧晟嫌眯橄弑硎荆诖耸植崮苷业健?nbsp;（4）需要的电感L、磁芯尺寸、和磁芯的额定电感（AL）是已知的，那幺可用下式计算线圈的匝数：(12)N=103√L/AL(12)这里L的单位是mH(5)在P5.9上用500园周面积（CircularMils）/安培，从导线表可选择导线的尺寸。(6）举例根据以下需求选择开关稳压器的磁芯：EO=5VΔeO=0.5VIOmax=6AIOmin=1AEinmin=25VEinmax=35Vf=20KHz①用等式（2）、（3）计算晶体开关管的截止时间和最小开关频率fmintoff=（1-5/35）/20,000=4.3×10-5Stmin=（1-5/25）/4.3×10-5=18,700Hz②用等式（4）让最大纹波电流Δi通过电感Δi=2（1）=2A③用等式（5）计算LL=5（4.3×10-5）/2=0.107mH④用等式（6）、（7）计算C和ESRmaxC=2/8(18700)(0.5)=26.7μFESRmax=0.5/2=0.25Ω⑤产品的LI2LI2=(0.107)(8)2=6.9mJ⑥由于有许多铁氧体型材可以购到，所以可以有不同的选择，若最大AL没有被超过，那幺与任何磁芯尺寸相交的LI2值座标都能应用。以下LI2值座标的选择是：（a）45224EC52磁芯AL315（b）45015E磁芯AL250(c)44229实芯磁芯AL315（d）43622罐形磁芯AL400（e）43230PQ磁芯AL250⑦给定AL，对要求电感所需的匝数AL匝数250213151940017⑧用﹟14导线和（7）磁芯气隙的应用直流偏置数据（μe和H的关系曲线）的有关曲线表示点的轨迹，这个轨迹相当于有效导磁率保持常数。由图9可见以安匝数表示的最大允许的直流偏置，没有使电感减小。超过这个范围电感迅速下降。图9有效磁导率与磁场强度的关系应用举例：求解：多少安匝数能支持R-42213-A-315罐形磁芯不使电感值减小？已知：由图查得最大允许的H=25奥斯特NImax=0.8×H×=62.4安匝或用图的顶部座标安匝/厘米H=20A-T/cmNImax=A-T/cm×=20×3.12=62.4安匝其中：（13）Ae=有效磁芯截面积cm2、AL=电感/1000匝mH、μi=初始导磁率、=气隙长度cm（8）附铁氧体磁芯直流偏置选择图表以上译自（美）MAGNETICS公司铁氧体磁芯手册3.1、磁材简介铁镍钼（MolybdenumPermalloy）、铁镍50(Hi-Flux)和铁硅铝（Super-MSS）功率磁芯可用磁导线绕制成变压器或电感。对所给能量储存（电感和电流）或变换（电压和电流）值所允许的能量消耗，磁芯材料和尺寸的选择指导（在这里将会给出）。能量消耗通常规定在最大上升温度期间内的最低效率或最低Q值（在电流的一个周期内，Q值是2p乘以峰值能量储存/能量消耗）当选择磁芯材料时应考虑以下问题：（1）铁镍钼（MPP）功率磁芯能提供最大Q值和最低磁芯损耗。就温度和交流磁通而论是最稳定的磁芯。它有最宽广地磁导率范围和对于开关类电源的直流输出电感是非常珍贵的材料。它可用于MHz频率范围。对于高精密的音频调谐电路、高Q滤波器、负载线圈、RFI滤波器、和其他精密电感的应用是极好的选择。（2）铁镍50（Hi-Flux）是一个50％镍50％铁间隔分布的功率磁芯，它有15000以上高斯的饱和磁通密度和重要的磁芯损耗要比铁粉芯功率磁芯更低。对于开关稳压电源、在线噪声滤波器和反激变压器的应用，这些磁芯是理想的。和它氏值淖芗壑狄谎庇τ糜诟咧绷魇保判净鼓芴峁┮桓黾跣〕叽绲牡绺小?nbsp;（3）铁硅铝（Super-MSS）是一个改进的铝硅铁粉，它被Arnold技术独创性地发展了。由于提供非常低的损耗所以计划去替代铁粉芯，以及有比MPP更高的储存容量。在开关类电源中的能量储存和滤波电感的应用铁硅铝磁芯是个极好的选择。在所用的功率频率上，铁硅铝的低损耗特性能尽量减少温度的上升，它低于类似尺寸的铁粉芯功率磁芯。与类似磁导率和尺寸的铁粉芯功率磁芯相比硅铝的直流偏置特性也极好。为了参考，解释某些基本电磁术语和定义用于设计磁功率磁芯的关系，随后是对于变压器和电感器设计必不可少的材料特性，采用图形显示它的典型值。对于铁镍钼（MPP）功率磁芯在手册的最后部分包含具体的磁芯尺寸和Q值数据。3.2、测量单位由于历史的原因，在此手册中采用了CGS制单位，国际制（SI）和CGS制之间的转换可简化于下表2：表2单位转换表在CGS制自由空间磁导率的幅值为1且无量纲。在SI制自由空间磁导率的幅值为4π×10-7亨/米3.3、电感对于每一个磁芯电感（L）可用所列的电感系数