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磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹

發(fā)布時(shí)間:2019-09-16 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】鐵鎳鉬合金MPP,高磁通鐵鎳50%HF合金和鐵硅鋁合金SUPERMSS等三種不同材料的磁粉芯已被廣泛地應(yīng)用在電源濾波電感之中。特別是在抑制和過濾差模傳導(dǎo)EMI的線路濾波(PowerLineFiltering)電路中,上述三種磁粉芯都有獨(dú)具特色的應(yīng)用。本文將從濾波電路簡介開始,再通過實(shí)例說明使用多只電感器在濾波電路中的優(yōu)點(diǎn)。
 
除此之外,還將對(duì)上述三種不同磁粉芯材料所制作的電感器,在一定的工作頻率和不同電流下所產(chǎn)生的功率損耗和電感穩(wěn)定性做逐一對(duì)比。對(duì)應(yīng)不同的工作頻率,電感器可以得到不同的等效串聯(lián)電感,等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)阻抗,這些數(shù)值反映了繞線分布電容大小和磁粉芯中渦流損耗的大小。
 
磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹
圖1單級(jí)和雙級(jí)濾波器示意圖
(a)單級(jí)濾波器(15A)(b)雙級(jí)濾波器(15A)
 
單級(jí)與多級(jí)濾波器
 
在電力和電子功率變換系統(tǒng)中,濾波器均采用LC電路。這種濾波器一般為“低通濾波器”。濾波器設(shè)計(jì)非常復(fù)雜,需要數(shù)學(xué)計(jì)算,計(jì)算機(jī)輔助工程和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合。
 
本文考慮兩種濾波器,如圖1所示,一種是單級(jí)(一只電感和一只電容組成),另一種是雙級(jí)(兩只電感和兩只電容)。接有濾波器的電路具有明顯的頻率響應(yīng)特性,但是由于負(fù)載和電源的阻尼作用,頻率響應(yīng)又是有限的。在實(shí)際應(yīng)用中,還要考慮電感器繞組電阻,磁粉芯損耗,電容器引線、電極和介質(zhì)損耗影響。更高頻率下的損耗構(gòu)成附加阻尼有利于濾波器穩(wěn)定運(yùn)行。而且寄生參數(shù)(如電容器引線電感和電感繞組的分布電容)都會(huì)對(duì)濾波器性能產(chǎn)生影響。寄生參數(shù)如圖2所示,RS為電感器的等效串聯(lián)電阻,RC為電容器的等效串聯(lián)電阻。
 
用幾種型號(hào)的美國阿諾公司SUPER-MSS鐵硅鋁磁粉芯制做單級(jí)濾波器和雙級(jí)濾波器,具體設(shè)計(jì)參數(shù)為:
 
磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹
圖2單級(jí)濾波器中考慮寄生參數(shù)的
 
電路圖和實(shí)驗(yàn)及源負(fù)載示意圖
 
磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹
圖3等效串聯(lián)電感和電阻與頻率的關(guān)系曲線
 
磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹
圖4等效并聯(lián)電容和電阻與頻率之間的關(guān)系曲線
 
磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹
圖5增益和相位與頻率的關(guān)系曲線(對(duì)單級(jí)濾波器)
 
磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹
圖6增益和相位與頻率的關(guān)系曲線(對(duì)雙級(jí)濾波器電路)
 
磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹
圖7復(fù)合增益和相位與頻率關(guān)系曲線
(對(duì)單級(jí)和雙級(jí)濾波器)
 
(1)單級(jí)濾波器電感磁芯采用一只鐵硅鋁MS-130060-2型(磁導(dǎo)率為60),電感量為13.2μH,電感繞組導(dǎo)線采用3股18AWG線規(guī)漆包線,DC直流電阻值為4.5mΩ,電容器采用一只聚丙烯電容,電容量為15μF。
 
(2)雙級(jí)濾波器兩只電感分別采用兩只鐵硅鋁MS-106060-2型(磁導(dǎo)率為60),每只電感量為7.95μH,電感繞組導(dǎo)線也采用與單級(jí)濾波器相同的三股18AWG漆包線,圈數(shù)為10圈,電感總電阻為5.4mΩ,電容器分別采用兩只聚丙烯電容,電容量分別為15μF。由于每只電感所繞的圈數(shù)少,所以在同樣電流下所產(chǎn)生的直流磁場強(qiáng)度要低14.5%。
 
對(duì)該二種濾波器的頻率響應(yīng)特性,用HP4194A阻抗/增益-相位分析儀進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)信號(hào)電壓0.5Vrms。結(jié)果如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示。
 
從圖3可以看到,兩種濾波電路(單級(jí)和雙級(jí))的等效串聯(lián)電感量(Ls)和電阻值(Rs)隨頻率變化的曲線。電感量大的單級(jí)濾波器的自振頻率在26MHz,電感量小的雙級(jí)濾波器在40MHz以上時(shí)還具有電感特性。或者說電感量小的雙級(jí)濾波器,其工作頻率范圍較寬。
 
圖4顯示了電容器有關(guān)數(shù)值與頻率的關(guān)系曲線,即等效并聯(lián)電容(Cp)和等效并聯(lián)電阻(Rp)隨頻率變化的曲線。可以看到,電容器與其引線電感發(fā)生諧振的頻率大約在250kHz。
 
為了說明多級(jí)濾波電路的優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)把單級(jí)和雙級(jí)濾波器的頻率響應(yīng)曲線分別示于圖5和圖6。測(cè)試條件使用了最偏離電源的電路工作參數(shù),輸入源阻抗為50Ω,負(fù)載阻抗也是50Ω。在典型的電路中,阻抗值是變化的,并不總是匹配的,尤其在低頻下,阻抗值會(huì)非常低。雖然實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際應(yīng)用的電路條件不一樣,但是,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,用來對(duì)單級(jí)濾波器和雙級(jí)濾波器做對(duì)比,可以得到許多有用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 
 
例如:對(duì)于每種濾波器而言,衰減量達(dá)到最大(增益達(dá)到最小值)的原因都是由于電容器與其引線電感發(fā)生諧振所造成的。對(duì)于單級(jí)濾波器,這一點(diǎn)發(fā)生在175kHz。所以盡量縮短電容器引線長度的重要性是非常明顯的。隨著頻率從175kHz增加,衰減又開始減少(增益增加),這是因?yàn)橐€電感阻礙了每只電容器返回電流的流動(dòng)。
 
另一個(gè)重要的結(jié)果是,雙級(jí)濾波器在20kHz頻率點(diǎn)下,具有最低的衰減(最高的增益)。從理論計(jì)算,雙級(jí)濾波器應(yīng)該視同于2個(gè)單級(jí)濾波器在14.6kHz頻率點(diǎn)上的效果,但是由于電容C1,電感L2和電容C3的阻尼效果,所以頻率點(diǎn)變到了20kHz。在20kHz頻率點(diǎn),產(chǎn)生了大約30dB的衰減。超過這個(gè)頻率點(diǎn)之后,雙級(jí)濾波器的增益衰減在60kHz,比單級(jí)濾波器還要低20dB。
 
最后還可以注意到,雙級(jí)濾波器在300kHz到1MHz范圍內(nèi),增益衰減都比單段濾波器大10dB。附加電感和電容減少了電容引線的電感效果。在美國,因?yàn)闊o線電調(diào)幅AM波段是在540kHz到1.6MHz之間,這樣對(duì)于改善此波段內(nèi)的濾波器性能,非常有利。
 
上述濾波器測(cè)試條件為,將電容器側(cè)作為輸入或參考通道,將電感器側(cè)作為測(cè)試通道。通過觀察可以看到,頻率響應(yīng)特性在上述測(cè)試連接方式和采用電感器側(cè)連接到參考通道,將電容器連接到測(cè)試通道的結(jié)果是相似的。因此,上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果也適用于電感器輸入型電路。
 
電源濾波器
 
濾波器通常用于電路或一部分電路以防止電磁干擾(EMI)。不設(shè)濾波器則無用的電信號(hào)將會(huì)沿著電源線或共用母線傳導(dǎo)引起EMI,而傳導(dǎo)干擾也能繼發(fā)射頻干擾(RFI),這是因?yàn)殡娫淳€對(duì)于高頻則是一天線。濾波器的作用就是防止在供電的同時(shí)將電噪聲傳導(dǎo)到電力線上。
對(duì)于那些連接到公用電上的電子、電器設(shè)備而言,各國政府機(jī)構(gòu)都對(duì)特定的頻率范圍內(nèi)所允許的最大傳導(dǎo)噪聲電壓有具體的規(guī)定。比如,美國聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)就規(guī)定,在450kHz到30MHz頻段內(nèi)的無線電射頻干擾,應(yīng)限制在48dBμV(250μV)以下。這種規(guī)定的目的就是要防止射頻干擾對(duì)公共電子設(shè)施,如無線電、電視機(jī)、電話機(jī)等的干擾。
 
在電子系統(tǒng)中對(duì)電源輸出端噪聲的限制,要由其負(fù)載的需要決定。在大多數(shù)情況下,噪聲的濾除是由前述的濾波元件(電感器和電容器)來完成的,由它們抑制輸出電壓的脈動(dòng)。為了抑制電源輸出端的EMI,有時(shí)設(shè)計(jì)二級(jí)濾波。
 
在含有開關(guān)器件的設(shè)備中,比如開關(guān)電源的功率晶體管和二極管,都需要在電源輸入端加裝EMI濾波器。在電路中電流的突然變化會(huì)導(dǎo)致電壓的短暫升高(或稱電壓尖峰),這個(gè)電壓尖峰既施加在輸入導(dǎo)體之間,也施加在導(dǎo)體與地線之間。
 
在輸入導(dǎo)線之間的EMI電壓稱之為差模噪聲。導(dǎo)線對(duì)接地端的噪聲稱之為共模噪聲。對(duì)于抑制共模噪聲的電感器,需要在一個(gè)磁芯上繞制兩組電流方向相反的導(dǎo)線,并使用高磁導(dǎo)率的磁芯。
 
相反,對(duì)于抑制差模噪聲的電感器,則要求磁芯材料在偏磁場下仍然能夠保持磁導(dǎo)率指標(biāo)。圖8中,標(biāo)出了流經(jīng)電感器的電流I,電壓V和磁芯中的磁場強(qiáng)度曲線,并且畫出了差模濾波器和共模濾波器在開關(guān)電源中的應(yīng)用線路圖。在輸入端,可以是交流輸入(如市電),也可以是電池供電(如48V,用于電信設(shè)備中)。當(dāng)電池供電時(shí),磁化電流是恒定的直流電。對(duì)于高功率因數(shù)的交流電系統(tǒng),磁化電流接近正弦波波形。而低功率因數(shù)的交流電系統(tǒng),其磁化電流則由一系列的交變脈沖疊加組成。
 
三種磁粉芯材料(鐵鎳鉬MPP,鐵鎳HF和鐵硅鋁SUPERMSS)最適合用于差模濾波器中的電感(有時(shí)這種電感也稱之為“串模電感”或“扼流圈”)。原因是這三種磁粉芯材料在偏磁場下具有極好的電感量保持能力。鐵鎳50%HF高磁通磁粉芯(美國阿諾公司注冊(cè)商標(biāo)Hi-FluxTM),特別適合用于高磁通密度工作條件。為了便于比較,圖9標(biāo)明了三種不同材料磁粉芯在直流偏磁場下的磁導(dǎo)率變化曲線。
 
磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹
圖8典型的EMI濾波器電路配置
和差模電感器上的電壓,電流以及磁滯回線
(a)電路(b)磁滯回線(c)電感器上電壓、電流
 
磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹
圖9磁導(dǎo)率與DC直流偏磁關(guān)系曲線
 
磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹
圖10磁芯損耗與磁通密度關(guān)系曲線 
 
圖9中的曲線是對(duì)三種不同材料的磁粉芯,在相同尺寸,相同磁導(dǎo)率,單級(jí)濾波器電路中測(cè)試得到的數(shù)據(jù)而繪出的。磁芯分別為鐵鎳鉬MPP磁粉芯(A-291061-2);鐵鎳50%HF合金(HF-130060-2);和鐵硅鋁SUPERMSS合金(MS-130060-2),尺寸均為外徑33.02mm×內(nèi)徑19.94mm×高度10.67mm,磁導(dǎo)率相同(60)。由圖9可知三種材料的磁導(dǎo)率隨直流偏磁的增大而減小。
 
所謂“完全繞線磁芯”,指繞線后的磁芯,漆包線繞線厚度正好達(dá)到磁芯原來內(nèi)徑的一半位置。通常,在生產(chǎn)工藝中,需要考慮使繞線機(jī)上的線鉤或線梭在繞制最后一圈漆包線時(shí),還可以有足夠的空間。在本實(shí)例中,電感量為1.9mH,這個(gè)電感量數(shù)值是典型的線路濾波所需要的電感量。一般而言,濾波電感的電感量選擇范圍在幾個(gè)μH到幾個(gè)mH之間。
 
在工頻下,要求磁芯損耗低,以便充分發(fā)揮磁芯材料的高飽和磁通密度性能。圖10是對(duì)高磁通鐵鎳50HF磁粉芯測(cè)試結(jié)果而繪制的曲線。由于高磁通鐵鎳50HF磁粉芯有高的損耗,所以可以用在工作條件最惡劣的情況。在400Hz,9000Gs磁通密度下,它的磁芯損耗為200mW/cm3。在50Hz或60Hz下工作,磁通密度的使用上限要根據(jù)磁芯磁導(dǎo)率變化的大小確定,具體可參見圖11。
 
另外一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的因素是,電感量會(huì)隨頻率變化而變化。圖12,圖13和圖14所示的是,三種不同磁粉芯材料(MPP,HF和SUPERMSS)繞制的電感器(采用單層繞線,電感量為60μH),它們各自的等效電感、等效串聯(lián)電阻、等效阻抗與頻率的關(guān)系曲線。
 
從圖12可看到,高磁通鐵鎳HF磁粉芯的等效串聯(lián)電感值隨頻率增加而跌落,這是由于其磁導(dǎo)率下
 
磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹
 
該傳感器的優(yōu)勢(shì)是內(nèi)部數(shù)字信號(hào)處理器,它提高了傳感器的精度并且減少了模擬零漂、溫度偏移和機(jī)械壓力對(duì)數(shù)學(xué)運(yùn)算的影響。另外,該傳感器具有eeprom存儲(chǔ)器和對(duì)其編程所用的串行通信接口。這樣,不需改變pcb上的電阻就可以進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)已經(jīng)安裝的傳感器,不需拆卸即可修改其參數(shù)。
 
對(duì)新傳感器優(yōu)化的最后一步是減小pcb板的尺寸。為此采用了4層的pcb板。與2層pcb板相比,4層pcb價(jià)格略高,但在emc兼容方面有很大優(yōu)勢(shì),因此不再需要昂貴的傳感器屏蔽盒。所以,總的說來4層pcb板更經(jīng)濟(jì)。
 
圖9是新傳感器的功能圖。原來的5個(gè)運(yùn)算放大器中有3個(gè)可以省去,而性能仍與之前相同。省去的器件使pcb板的尺寸進(jìn)一步減小,只有原來的40%。圖10是兩個(gè)傳感器的比較。
 
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圖11磁通密度與磁導(dǎo)率的關(guān)系曲線
 
磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹
圖12等效串聯(lián)電感和頻率的關(guān)系曲線(單層繞線條件下)
 
磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹
圖13等效串聯(lián)電阻與頻率的關(guān)系曲線(單層繞線條件下)
 
磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹
圖14阻抗與頻率的關(guān)系曲線(單層繞線條件下)

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圖15等效串聯(lián)電感/電阻和頻率的關(guān)系曲線(100kHz1MHz)
 
磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹
圖16阻抗與頻率的關(guān)系曲線(100kHz1MHz)
 
磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹
圖17單層和完全繞線設(shè)計(jì)情況下等效串聯(lián)
 
磁粉芯在高性能EMI濾波器中的應(yīng)用介紹
圖18單層和完全繞線設(shè)計(jì)情況下阻抗與頻率的關(guān)系曲線
 
降所致,其根本原因在于頻率增高后渦流損耗隨之增大所造成的。正如前所述,在高頻下的損耗對(duì)濾波器來說是一個(gè)優(yōu)點(diǎn),這是因?yàn)檫@個(gè)損耗對(duì)阻尼衰減提供了附加的穩(wěn)定因素。圖15是對(duì)圖12和圖13、圖16是對(duì)圖14在100kHz到1MHz范圍內(nèi)的曲線進(jìn)行的局部放大圖,以便更清楚地看到三種磁粉芯的串聯(lián)等效電感和等效電阻及等效阻抗隨頻率變化的趨勢(shì)。可以很明顯地看到,鐵硅鋁SUPERMSS在高頻下的渦流損耗是最低的,所以它的電感量(磁導(dǎo)率)和電阻都是變化最小的或基本不變的。
 
最后,看一下電感器的分布電容(對(duì)單層和多層繞線做比較)與頻率的關(guān)系曲線,見圖17和圖18。從圖中看到,超過1.6MHz之后,這個(gè)雜散電容確實(shí)使成本高的多層電感器的阻抗比成本較低的單層電感器的阻抗要低。
 
結(jié)語
 
三種磁粉芯材料都非常適合用于電源濾波。高磁通鐵鎳50%HF磁粉芯的性能最好,因?yàn)樗诟唢柡痛磐芏认戮哂斜3蛛姼辛康哪芰?,同時(shí)它還提供在高頻下所需要的阻尼衰減功能。
 
另外一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的因素是,由于磁性材料本身所具有的磁致伸縮所產(chǎn)生的音頻噪聲。而高磁通HF鐵鎳50%磁粉芯在50Hz或60Hz下,會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲(嗡嗡聲)。當(dāng)然,直流磁化電流不會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲,所以它最適合用作電池供電的電源系統(tǒng)中輸入濾波電感。
 
鐵鎳鉬MPP磁粉芯和鐵硅鋁SUPERMSS磁粉芯都具有特別低的磁致伸縮系數(shù),它們都不會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲。鐵鎳鉬MPP磁粉芯在直流偏磁場下的磁導(dǎo)率變化量最小,這是它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。由于50Hz或60Hz交流電與音頻頻率相比幾乎可以認(rèn)為是近似直流,所以可以用在直流偏磁下三種磁粉芯磁導(dǎo)率變化曲線,來推測(cè)50Hz或60Hz電流偏磁場下的磁導(dǎo)率變化趨勢(shì)。鐵硅鋁SUPERMSS磁粉芯的單位體積制造成本(價(jià)格)最低,最適合用于一般電源濾波電感,具有很高的性能價(jià)格比。而鐵鎳鉬MPP和高磁通鐵鎳50%HF磁粉芯的價(jià)格水平差不多,鐵鎳鉬MPP磁粉芯最高。
 
 
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