新一代开关电源EMI滤波器的发展趋势
The Development Trend of Novel EMI Filters for Switching Power Supply

摘 要： 随着电子设备小型化的迅速发展，开发与设备所用开关电源相配套的小型化高性能EMI电源滤波器的需求已经到来。根据开关电源产生的共、差模噪声特点，推荐一种行之有效的通用滤波电路。
关键词： EMI电源滤波器 共模噪声 差模噪声 插入损耗
1 问题的提出
90年代以来，各种表面组装元件已逐渐成为电子元件的主流产品。而半导体大规模的集成，特别是网络化的迅速发展，又直接导致了抗电磁干扰能力的迅速下降。据IBM公司的常规观察统计表明、严重威胁电子、电气设备安全可靠工作的起因中，88.5％是来自电源中的电压瞬变和电磁脉冲。当前EMI滤波器仍然是抑制电磁干扰的经济和有效手段之一。因此目前摆在（市场上）传统EMI滤波器面前的一个不可回避的问题是如何适应电子设备小型化的发展要求。
2 片式元件的发展近况和趋势
目前国际上直流系列片式电容发展迅速，本文不再详述，但适应电源滤波的功率磁性元件受到了能量存储容量的限制。
设电感L在传递瞬变电流i时所存储的能量为W，则有下式

若电感采用环形磁芯其电感量为：

式中：μ初始磁率；N匝数；A磁芯截面积；D磁环平均直径。

解方程求得所存储能量W为：

由于：
）
式中：B为磁芯的磁感应强度值
（4）式又可表示为：

（4）或（6）式都表明磁芯材料的体积A·D和初始磁导率μ决定了电感存储能量的上限。换句话说，功率转换器电路对能量存储的要求也就确定了功率磁性元件的最小尺寸。在同样的磁场强度下同一磁芯通过的瞬变电流愈大所允许的电感值愈小。

片式电感的结构有开式和闭式两种［1］见图1。
图中a）、b）、c）分别为环形磁芯、双E形磁芯和罐形磁芯，它们的磁路是封闭的所以是闭式磁芯（可减少EMI的产生）。d）为工字形磁芯，因磁路不封闭所以是开式磁芯，它可能会与其他敏感元件耦合产生不良影响，但可以承受更大的电流。这是因为开式磁芯磁导率很低，因此在存储能量W相同的条件下，可承受更大的电流。例如（日）SUMIDA公司［2］开式磁芯的体积长×宽×高（约）为12×12×6mm，当额定电流为10A时，其电感值为2.1μH；而双E闭式磁芯，在相同额定电流10A时，其电感值为2.4μH（略大些），但体积长×宽×高（约）为16.4×16.4×9.6要较前者体积增大2.37倍。（后者最大额定电流为20A时，其电感值为1μH）。

为了降低高度（低造型）和增大载流容量，目前大电流片式电感绕组的导线由圆截面向扁平截面转变（含印制板的电感）。上述12×12×6mm、10A、2.1μH电感就是采用约1.7×0.2mm扁铜条绕制的。
国家“九五”计划和2010年远景目标纲要中［3］新型元器件列为电子工业发展重点之一，包括6个门类的新型元器件中，表面贴装元器件摆在首位。2000年电子信息产品对新型片式元件需求300亿只（1999年电子信息产品对电感器、变压器、磁性器件需求165亿只）。这就是中国信息产业的发展对新型片式元件的市场需求。
3 片式EMI滤波器的发展概况

片式EMI滤波器目前以信号滤波器为主，可运用于电源的EMI滤波器较少，如（日）TDK公司［4］的ACH3218、ACH4518系列，采用铁氧体磁珠和片式电容组成T型滤波电路。ACH3218体积L×W×H=3.2×1.8×2.5mm，最大额定电压20VDC、最大额定电流1.5A、25dB插入损耗的频率范围由11MHz~55MHz到600MHz~700MHz共18个品种，见图2.ACH4518体积L×W×H=4.5×1.8×3.2mm，最大额定电压50VDC、最大额定电流1.5A、25dB插入损耗的频率范围由7MHz~60MHz到550MHz~650MHz共20个品种，见图3。与ACH系列相近的是ACF系列，但最大额定电流为300mA。（英）SYFER［5］SBSM系列片式EMI滤波器有以三端电容器为主体组成的C电路（即单个三端电容）和π电路（由二个三端电容器和0.5μH铁氧体组成）体积L×W×H=6.6×5×3.18mm，额定电压由50VDC~500VDC，额定电流C电路20A、π电路10A，典型插入损耗列于表1.需要说明的是，由于耐压高的电容容量小，所以额定电压高的EMI滤波器低频段插入损耗要比额定电压低的差。
以上片式EMI滤波器的体积很小，但受电感量太小的限制，低频段的插入损耗很差，不能适应开关电源的要求。
4 新一代EMI滤波器的设想
开关电源产生噪声的机理已在有关文章中详细分析［6，7］，测试结果与模拟实验结果一致，在低频段差模噪声分量占主要成份，在高频段共模噪声分量占主要成份，因此采用共模和差模扼流圈是必要的，但如何减少它们的体积是令设计者最头痛的事，最近（日）村田公司［7］开发了PLY系列混合扼流圈，这种器件以一种十分巧妙的方式把共模和差模扼流圈紧凑地结合为一体，其中的PLY10系列分别有共模磁路和差模磁路，每个磁路有各自的铁氧体磁芯，其最大安装尺寸为L×W×H=18×16×17.5mm，额定电流范围为0.5~2.0A，对100VDC的耐压产品可承受40~150W功率，对200VDC耐压产品可承受75~300W功率，这样宽的使用范围使PLY10系列器件可与大多数开关电源设备兼容。
PLY系列的事例给大家一个启示，开关电源共、差模噪声的有效抑制还是依靠专门的电感器件——共、差模扼流圈，由简单的片式（电容、电感）元件所组成的EMI滤波器是难以胜任抑制开关电源所产生的共、差模噪声的。
为此有效抑制开关电源噪声的新一代EMI滤波器应该是由有效的共、差模扼流圈和若干电容组成的相关电路，为了减小体积，这些电感、电容元件应尽可能采用片式元件（只要有可能的话）。
另一方法是为电源模块专业厂所生产的系列电源模块通过MIL-STD-461的CEO3或其他规范研制专用的配套EMI滤波器。如（美）Advanced Analog公司为AHE、ATO、ATW和AHF系列DC/DC电源模块配套了AFC461系列EMI滤波器，其额定电压28~40VDC，额定电流4A，100kHz~50MHz插入损耗40dB，工作温度-55~125oC，最小尺寸L×W×H=53.85×28.45×9.65mm。类似的还有（美）Interpoint公司为MHE/MLP、MHL、MTO和MTW系DC/DC电源模块配套了FMH-461 EMI滤波器，其插入损耗指标强调500kHz处最多衰减50dB，200kHz处最少衰减35dB。

同样著名电源公司VICOR也为自己的新一代电源模块配置MICRO封装的输入滤波模块和输入保护模块，其中前者FM系列（FM48）能有效地消除传导干扰噪声，后者IAMZ能有效地限制浪涌电流和尖峰干扰，它们如图4。

我们的看法和建议是开关电源EMI滤波器的电路应采用图5所示的标准模式电路，它有利于发展成为标准模块并最终集成。在实际运用中如果一级滤波模块抑制不够，可以再串接第二级滤波模块。
5 实验结果

北京中北创新科技发展公司开发实验样品CX系列电路采用图5标准模式，结构采用共、模混合扼流圈，体积L×W×H=15×15×9.5mm，额定电压50VDC，额定电流0.5~2A。用（日）TR4172频谱仪测得的共模（CM）常模（NM）插入损耗曲线如图6所示。图7是两级标准模式电路的CM、NM曲线。
6 展望
为了适应电子设备不断小型发展的需要，以采用片式电容、电感为主的新一代EMI滤波器的出现和发展是历史的必然。与标准模块电源的发展历史一样［8］，新一代EMI滤波器也应该向标准模式电路的方向发展。由于目前直流系列片式电容发展迅速，所以新一代直流系列EMI滤波器的发展有可能成为现实。遗憾的是交流片式电容发展缓慢，目前仅有（日）村田公司［9］的GHM2143、GHM2145和GHM2243系列，它们的交流耐压性能比传统的聚脂薄膜电容差。因此新一代交流系列EMI滤波器还有待于交流片式电容的深入开发和发展。