1 前言　　
现代电子信息、电力电子技术与设备都离不开可靠的电源，从二十世纪80年代开始计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成换代。进入90年代后，开关电源进入了各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。
开关电源是利用现代电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种装置，通常它是由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成的。而开关电源和线性电源是现代电子电源发展的两个主要方面，当今开关电源以功耗小、效率高、体积小、重量轻的优势广泛应用于整个电子领域，而线性电源则以其固有的稳定性仍占有一席之地。为了顺应现代电子技术设备对多种电压和电流的需求，在满足体积小、重量轻、效率高、可靠性和经济性的同时，抗干扰能力成为开关电源稳定性的一个关键因素。因此，开关电源的EMI抑制技术在开关电源设计中显得格外重要。实践证明，EMI问题必须极早考虑、极早解决，以满足快速发展的电子技术的需要。
2开关电源的EMI分析与解决EMI的途径
2.1 开关电源的EMI分析
开关电源产生电磁干扰最根本的原因，就在于工作过程中产生的高di/dt和高dv/dt成分，它们所产生的浪涌电流和尖峰电压就形成了干扰源。工频整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换、输出整流二极管的反向恢复电流即是这类干扰源。开关电源中的电压电流波形大多为接近矩形的周期波，比如开关管的驱动波形、MOSFET漏源波形等。对于矩形波，周期的倒数决定了波形的基波频率；两倍脉冲边缘上升时间或下降时间的倒数决定了这些边缘引起的频率分量的频率值，典型值已在MHz范围，而它的谐波频率就更高了。这些高频信号都对开关电源基本信号，尤其对控制电路的信号造成干扰，这些干扰即称为电磁躁声。
开关电源的电磁噪声从噪声源来说可以分为外部噪声和内部噪声两大类。通过电网传输过来的共模和差模噪声、外部电磁辐射对开关电源控制电路的干扰等即为外部噪声。开关管和整流管的电流尖峰产生的谐波及电磁辐射干扰，即开关电源自身产生的电磁噪声就是内部噪声。　　
如图1所示，电网中含有的共模和差模噪声对开关电源产生干扰，开关电源在受到电磁干扰的同时也对电网其它设备以及负载产生电磁干扰（如图中的返回噪声、输出噪声和辐射干扰）。进行开关电源EMI/EMC设计时一方面要防止开关电源对电网和附近的电子设备产生干扰，另一方面要加强开关电源本身对电磁骚扰环境的适应能力。
就具体而言，可分为：
(1)电源线引入的噪声
(2)输入电流畸变产生的噪声
(3)开关管和变压器产生的干扰
(4)输出整流二极管产生的噪声
(5)分布与寄生参数产生的干扰。
2.2 解决开关电源EMI的基本措施
众所周知，干扰源、耦合通路和敏感件是电磁兼容技术的三要素，抑制其中任何一项都可以减少或降低电磁干扰。开关电源工作在高电压大电流的高频开关状态时，其引起的电磁兼容性问题是比较复杂的，但仍可归为基本的电磁干扰模型，因此可从三要素入手寻求抑制的方法。例如抑制开关电源中的各种干扰源，切断电磁干扰的传输途径而设计共模、差模电源线滤波器，使用屏蔽方法降低电磁敏感设备的敏感性等，都是解决EMI的基本措施。
这里不可能去全面探讨解决开关电源EMI的方法与措施，只就用磁性元器件抗EMI的基本方面作一介绍。
3 抗EMI磁性元器件的应用
3.1抗EMI磁性元器件
为适应国际贸易发展与需要，所有电子/电力产品都必须达到电磁兼容EMC的标准才能进入市场。为此，在产品设计中必须采用一些适宜的抗EMI元件和组件。而电磁兼容是一项系统工程技术，抑制与防止电磁干扰是其核心内容。电磁干扰的发生、传播和抑制是相当复杂的，因而EMI对策元件和组件的品种繁多，性能各异。采用磁性元器件技术则是最基本的有效对策和措施之一，如电感性EMI组件（电感器、磁珠、磁珠排、共模扼流圈、差模扼流圈等）、电感与电容组合式EMI组件（LC滤波器、LC陷波器、三端磁珠-电容器、三端电阻-电容器、压敏-电容器等）都是有效的产品。
由于市场的强劲需求，世界各大电子公司都投入了大量人力物力开发抗EMI技术，进展异常迅速，其主要发展方向是高频化（由于电子产品向高频发展）、微小型化、多功能组合化和集成化。例如：Murata公司在三端片式电容器（迭层型片式穿心电容器）的基础上，又开发出了含有电阻的三端片式电容器NFR系列、含有电感的三端片式电容器NFW系列、含有两个磁珠的三端片式电容器NFL系列、以及Ni内电极大电流(6A)大容量（1F）系列等。铁氧体簿膜共模扼流圈的封装尺寸为3.2 ×1.5×1.15mm，在100MHz时，其共模阻抗可达550Ω ，而同时其差模阻抗不超过10Ω，特别适用于高速数字信号线；迭层型片式三绕组共模扼流圈的尺寸仅为2.5×2.0×1.2mm，它可以非常有效地在音频信号线上抑制来自高速数字电路的高频噪声而不会造成声音的畸变和串扰，在最新款式的袖珍音影电子产品中，如MP3，十分受欢迎，薄膜扼流圈阵列尺寸为3.2×1.6×1.15mm，内部封装了两个共模扼流圈；TDK将一个共模扼流圈和一个差模扼流圈封装在一起，尺寸仅为3.2× 2.5× 2.3mm；英国Syfer公司将两个Y电容器和一个X电容器集成在一起，构成一个迭层型片式X2Y电容组件，同时抑制共模和差模噪声，其封装规格为2012（0805）和3216（1206），用于DC电源滤波器。美国AVX公司深入研究了迭层型片式穿心滤波电容器（Feed through Filter Capacitor），经过精确设计内电路，将70%的寄生支路电感转移成输入/输出线上的串联电感，起到一个T形低通滤波器的作用，从而显着地提高了自谐振频率，加宽了对噪声抑制的频宽和强度。该公司还开发了一种新材料，用迭层技术解决了R-C组合问题，避开了陶瓷膜银电极 钌系电阻膜共烧的复杂工艺，开发出了一系列称之为|Z|产品的组件，如R-C组件、R-C-R低通滤波器及其阵列等。
虽然我国严格执行电磁兼容法规的工作开展较晚，但在与国际经济接轨浪潮的推动下，EMI对策元件与组件产业迅速发展起来，已经出现了一些专业厂家，不失为可喜之事。
3.2 抗EMI磁性元器件的应用
   在开关电源中抗EMI应用的磁性元器件主要是电感及其组合，在适应移动电子设备发展需求的小型轻量化方面，目前用得最多的是片状形式，因此这里着重介绍片式电感/磁珠表的应用。
3.2.1片式电感
一般说来，电路中的电感元件应完成以下两个基本功能：电路谐振和扼流电抗。谐振电路包括谐振发生电路，振荡电路，时钟电路，脉冲电路，波形发生电路等等，谐振电路还包括高Q带通滤波器电路。 要使电路产生谐振，必须有电容和电感同时存在于电路中。在电感的两端存在寄生电容，这是由于器件两个电极之间的铁氧体本体相当于电容介质而产生的。在谐振电路中，电感必须具有高Q，窄的电感量偏差，稳定的温度系数，才能达到谐振电路窄带、低的频率温度漂移的要求。 高Q电路具有尖锐的谐振峰值，窄的电感量偏置保证谐振频率偏差尽量小，稳定的温度系数则保证谐振频率具有稳定的温度变化特性。 标准的径向引出电感和轴向引出电感以及片式电感的差异仅仅在于封装形式不一样。电感结构是在介质材料（通常为氧化铝陶瓷材料）上绕制线圈，或者空心线圈以及铁磁性材料上绕制线圈。 在功率应用场合，作为扼流圈使用时，电感的主要参数是直流电阻（RDC），额定电流（I）和低Q值。当作为滤波器使用时，希望宽带特性，因此，并不需要高Q特性，低的RDC可以保证最小的电压降。
3.2.2片式磁珠
片式磁珠的功能主要是消除存在于传输线结构（如PCB电路）中的射频（RF）噪声。RF能量是迭加在直流传输电平上的交流正弦波成分，直流成分是需要的有用信号，而RF能量却是无用的电磁干扰，是沿着线路传输和辐射的EMI。要消除这些不需要的信号能量，片式磁珠即能担当此任。该器件允许直流信号通过，而滤除交流信号。通常高频信号为30MHz以上，然而，低频信号也会受到片式磁珠的影响。通常片式磁珠由软磁铁氧体材料制成高体积电阻率的独石结构。涡流损耗同铁氧体材料的电阻率成反比，与信号频率的平方成正比。使用片式磁珠的好处在于小型化和轻量化。在射频噪声频率范围内具有高阻抗，消除传输线中的电磁干扰。闭合磁路结构，更好地消除信号的串扰，也是极好的磁屏蔽结构。降低直流电阻，以免对有用信号产生过大的衰减，显著的高频特性和阻抗特性，能更好的消除RF能量，在高频放大电路中消除寄生振荡。有效的工作在几MHz到几百MHz的频率范围内。 要正确的选择磁珠，必须注意以下几点：不需要的信号的频率范围、噪声源、噪声衰减量、环境条件（温度，直流电压，结构强度）、电路和负载阻抗、是否有空间在PCB板上放置磁珠等。用于EMI对策的片式磁珠的品种、主要特性及应用如表1所示。
是使用片式磁珠还是片式电感主要取决于应用。总体而言，在谐振电路中需要使用片式电感，而需要消除EMI噪声时，使用片式磁珠是最佳的选择。片式电感主要应用于 射频（RF）和无线通讯，信息技术设备，雷达检波器，汽车电子，蜂窝电话，寻呼机，音频设备，PDAs（个人数字助理），无线遥控系统以及低压供电模块等。而 片式磁珠则应用于时钟发生电路，模拟电路和数字电路之间的滤波，I/O输入/输出内部连接器（比如串口，并口，键盘，鼠标，长途电信，本地局域网），射频（RF）电路和易受干扰的逻辑设备之间，供电电路中滤除高频传导干扰，计算机、打印机、录像机（VCR）、电视系统和手提电话中的EMI噪声抑止等。
下面举例介绍其具体应用：
1）饱和电感的抑制作用
输出整流二极管的反向恢复问题可以通过在输出整流管上串联一个饱和电感来抑制，如图2所示，饱和电感Ls与二极管串联工作。饱和电感的磁心是用具有矩形BH曲线的磁性材料制成的。同磁放大器使用的材料一样，这种磁心做的电感有很高的磁导率，该种磁心在BH曲线上拥有一段接近垂直的线性区并很容易进入饱和。实际使用中，在输出整流二极管导通时，使饱和电感工作在饱和状态下，相当于一段导线；当二极管关断反向恢复时，使饱和电感工作在电感特性状态下，阻碍了反向恢复电流的大幅度变化，从而抑制了它对外部的干扰。
2）用于滤除电源线干扰的电感组合件
电源线干扰可采用电感与电容组合的电源线滤波器来滤除，开关电源EMI滤波器基本电路如图3所示。一个合理有效的开关电源EMI滤波器应该对电源线上差模干扰和共模干扰都有较强的抑制作用。在图3中CX1和CX2叫做差模电容，L1叫做共模电感，CY1和CY2叫做共模电容。差模滤波组件和共模滤波组件分别对差模和共模干扰有较强的衰减作用。
共模电感L1是在同一个磁环上由绕向相反、匝数相同的两个绕组构成。通常使用环形磁心，漏磁小，效率高，但是绕线困难。当市网工频电流在两个绕组中流过时为一进一出，产生的磁场恰好抵消，使得共模电感对市网工频电流不起任何阻碍作用，可以无损耗地传输。如果市网中含有共模噪声电流通过共模电感，这种共模噪声电流是同方向的，流经两个绕组时，产生的磁场同相叠加，使得共模电感对干扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了抑制共模干扰的作用。
除了共模电感以外，图3中的电容CY1及CY2也是用来滤除共模干扰的。共模滤波的衰减在低频时主要由电感器起作用，而在高频时大部分由电容CY1及CY2起作用。电容CY的选择要根据实际情况来定，由于电容CY接于电源线和地线之间，承受的电压比较高，所以，需要有高耐压、低漏电流特性。
差模干扰抑制器通常使用低通滤波组件构成，最简单的就是一只滤波电容接在两根电源线之间而形成的输入滤波电路（如图3中电容CX1），只要电容选择适当，就能对高频干扰起到抑制作用。该电容对高频干扰阻抗甚低，故两根电源线之间的高频干扰可以通过它，它对工频信号的阻抗很高，故对工频信号的传输毫无影响。
3)磁珠的应用
磁珠实际上是用射频铁氧体材料作成的磁心，其磁导率具有复数的形式，实数部分表征电感，虚数部分构成磁损耗。其等效电路由电感L和电阻R组成，L、R均为频率的函数。低频时R很小，L起主要作用，电磁干扰被反射而受到抑制；高频时R增大，电磁干扰被吸收并转换成热能。因此，利用它可以作成各种EMI吸收或抑制元件。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。
  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，而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，改善系统的滤波特性。磁珠在开关电源中的应用以尖峰抑制器和滤波两种形式为例，简述如下。
 3.2.3尖峰抑制器
根据在开关电源整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， 否则铁芯要发热而不能正常工作。
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；降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。　
3.2.4在滤波器中的应用
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。
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几十至几百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）中使用是非常有效的。
4结束语
开关电源以其轻小、高效、高可靠、省能而获得了广泛应用，但电磁干扰（EMI）则是必须要解决的主要问题之一，对其EMI进行分析又是解决问题的前提。经分析得出切断干扰源，阻隔传播信道，降低敏感件的敏感性则是解决的根本途径。实践证明，采用抗EMI磁性元器件——电感/磁珠则是有效的可行的途径与基本措施之一。

主要参考文献
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