EMI电源滤波器中铁氧体磁环频率特性的试验

随着开关型电源在电子设备、通信设备、工业、电力系统及家用电器上的广泛应用，其产生的电磁干扰也越来越严重。其电磁干扰可分为共模和差模两种干扰，以传导和辐射两种方式传播，其中在30MHz以下的共模干扰尤为突出，必须加以限制。
在众多抑制电磁干扰的方法中，ＥＭＩ电源滤波器是很重要的一个组成部分。图1是一个简单的滤波电路，在这个滤波网络中，电容Cx用于抑制差模干扰，共模电感L和电容Cy则主要抑制共模干扰。从安全角度出发，对流过滤波器接地端的电流（即泄漏电流）有所限制，因此电容Cy的容量不能选用太大（通常在几千pF左右），所以在1MHz以下的低频范围内的共模干扰主要由共模电感L来抑制。作为共模电感的磁芯，铁氧体磁环以其高磁导率，低廉的价格被普遍采用，而铁氧体磁环磁导率的频率特性是决定共模阻流圈抑制干扰的一个关键因数。为此，我们选用几何尺寸和磁导率相同，但频率特性不同的两种铁氧体磁环抽样进行相应的试验。
1.试验样品


（1）用宽频LRC数字电桥测量其AL值（单匝电感量），见表1。
（2）用网络频谱分析仪分别测量其单匝共模线圈的Ls，XL，Rs，|Z|，IL的频率特性曲线，见表2。





3.分析：
电源滤波器对干扰的抑制性能是以插入损耗IL的dB数来表示的，其中共模 线圈的抑制干扰可用图3中的等效电路表示。
图中，Zs=干扰源阻抗；ZR=负载阻抗；|Z|=共模线圈的阻抗。

Ca为共模线圈的分布电容，容量与绕线的线径、根数及绕组的圈数、叠加的程度有关，一般来讲，圈数越多，叠加的程度越高，分布电容的容量也越大。在这里，由于我们只测试单匝绕组，所 以Ca很小可忽略不记。这样，单匝共模线圈抑制干扰可看成图4等效电路。
单匝共模线圈的插入损耗

其中 ；XL=jωLs= jωL0 u’； Rs=ωL0 u’’； ω=2πf
u’为铁氧体磁芯磁导率的实部；u’’为铁氧体磁芯磁导率的虚部；L0为空心电感的电感量。
从中可知，共模线圈的总阻抗是由铁氧体磁芯磁导率的实部u’和虚部u’’两部分组成的，u’构成磁芯的电感，而u’’代表磁芯的损耗。两者的频率特性决定了共模线圈对不同频率干扰的抑制能力。
从表1中的AL值和表2中的Ls值可以看出，两种磁环的电感量在低频范围内基本保持不变，随着频率的增高，至一个转折频率达到最大，然后迅速下降，A类磁环的转折频率比B类磁环的转折频率要高。表2中Rs值在低频时很低，随着频率的增高而增加，至一个转折频率达到最大。综合的比较表2中XL，Rs，|Z|的频率特性曲线，可以得到这样的结论，在低频段，磁导率的u’对|Z|起主要作用，而u’’对|Z|的影响很小，当频率超过u’的转折频率后，线圈的总阻抗|Z|是由磁芯的实部u’和虚部u’’共同合成的。

从一个理想的抑制角度来讲，要求共模线圈在干扰频段内都能有很大的阻抗，由于共模干扰的频段很宽，所以是不可能完全实现的。在应用中，可根据共模干扰能量主要集中频段来选用何种磁环作为共模线圈的磁芯。在实验中我们看出，A类磁环在100kHz~500kHz频段内对共模干扰的抑制能力比B类磁环要好，这点可从图5两种磁环IL值频谱曲线比较中可证实。
总之，选用铁氧体磁环做EMI电源滤波器中共模电感的磁芯，不仅仅考虑磁芯的u’值，从抑制共模干扰的频率范围来讲，同时还应考虑磁芯的u’’值，即磁芯材料的电阻率对高频段的影响。