2.4扼流圈
2.4.1作用和要求
由不同频率组成的电流，流入一只电感线圈，频率愈低的电流所产生的阻抗愈小。扼流圈就是利用这种特性。它对直流电流影响很微小，但对高频交流电有很大的阻抗和衰减作用。因此高频扼流圈常作为平滑滤波电感器使用。最近，不断增长的开关式电源和直流一直流变换器，大量采用功率型的扼流圈，其作用是从信号源(或变压器次级)取得能量，存储于电感线圈中，然后再将这些能量传输到负载，这类储能式扼流圈有时也称为功率电感器。此外，扼流圈也可作为抑制电磁波/射频干扰电感器使用。
带磁芯的扼流圈在上述使用情况下，实际上要承受一个较强直流磁场和一个较弱交流磁场的共同作用。随着直流电流强度增大，铁氧体磁芯的可逆磁导率μrev (见图1-17)将下降，电感器的交流阻抗也随之下降。在磁芯中开气隙或采用开路磁芯可克服上述不利于扼流的作用。当作为储能扼流圈使用时，必须满足下述主要要求：
(1)有高的额定电流，即在很大直流电通过时，扼流圈仍能工作于线性电感范围。
(2)低的直流电阻。
(3)高频低损耗。
带磁芯的高频扼流圈主要有两种结构形式：一种是带空气隙的闭合磁路磁芯(如EE型、EI型磁芯)制成的电感线圈，或者用工字型和环型磁芯组合制成带屏蔽的功率电感线圈；另一种是用开路磁芯，如工字型磁芯直接绕线制成。后者结构简单成本较低，并大都采用表面安装型，特别适合薄型模块式DC/DC变换器作用。图2-18示出适于表面安装的功率电感器外形结构。有带塑料底座的，也有采用已金属化的工字型磁芯，可直接用于再流焊。带屏蔽的功率电感器则有园形和方形两种，底部有电极带适于表面贴装。
2.4.2主要技术特性和磁芯选择
扼流圈在实际使用中，主要的技术特性要求有电感值，直流电阻和额定电流，对于大电流的扼流圈还要求有低的损耗，高的可靠性和安全性(如绝缘性)等。
扼流圈的电感值通常由使用情况确定，多数输出滤波电感器或储封扼流圈，均要求有小的纹波电流，因此要求有尽可能高的电感值。图2-19(a)示出E激类变换器或扼流圈变换器(降压型)的输出电感电原理图，在扼流图中流过的电流如图2-19(b)所示。扼流圈电感量可由下式决定：

式中，Vo—输出电压(V)
     ΔI—纹波电流(A)
            Tof—开关管截止时间
但是，为了达到电流变化或负截变化的快速响应，对扼流圈电感值也应受到一定的限制。大多数功率电感器电感值需控制在±10%～20%范围内变化。
图2-20示出功率电感器的电感一直流重迭特性。输出扼流圈必须工作于电感值稳定的范围。通常定义电感值下降10%时对应的电流为额定电流。图2-21示出额定电流与电感关系，通常增大电感量将使额定电流值下降。注意，图中较大尺寸的电感器(10×10mm)额定电流可达4A以上(3.3μH)；而较小尺寸的电感器(6×6mm)额定电流最高为2.5A。线圈的直流电阻主要由匝数和绕线决定。设计扼流圈匝数应根据电感值要求，并保证安匝数NIo应小于电感器直流重迭特性可允许的NIR值；同时根据磁芯可允许的绕组面积和额定电流来决定导线线径。要尽量减小线圈直流电阻值以降低铜损。
关于磁芯选择，正向变换器的储能扼流圈过去主要使用低损耗的功率铁体材料(MnZn系)，对组合磁芯(如EE型磁芯)为避免饱和磁路中要设置空气隙。因为MnZn系材料磁导率很高，即磁阻很低，可以认为空气隙中磁阻Rδ远大于磁芯中磁阻Rc，于是可按照下列公式决定磁芯气隙δ：

气隙中磁阻Rδ≥Rc
所以  
                        (2-22)
式中：Gδ—气隙磁导
因为　　
则
                                 (2-23)
当已知扼流圈电感值L时，并已知磁芯尺寸后，其气隙和度δ则可由上式确定。
随着电源尺寸向轻、薄、小型化发展，开关频率不断提高，例如电信或汽车电子中使用的薄型DC-DC变换器，开关频率100～500 kHz。
高开关频率的优点是使用低电感的扼流圈，且有更小的尺寸。这时采用高频NiZn系功率铁氧体材料更为适宜。NiZn系材料(或NiCnZn系材料)有高的体电阻，制成工字型磁芯后，铜线可直接缠绕到磁芯上，而没有短路等危险。工字型磁芯呈开磁路结构，具有优良的直流重迭特性，能承受很大的直流电流而不饱和(见图2-20)。最近，额定电流达10A的大电流功率电感器也已进入工业生产。预计，适于表面贴装的无屏蔽或有屏蔽的片式功率电感器，成本低并适于大量生产，具有很大发展潜力。
3抗电磁波干扰电感器
3.1电磁波干扰来源及抑制方法
3.1.1电磁波干扰来源
变化的电场和磁场交替产生，由近及远，以有限的速度在空间内传播的过程，称为电磁波。空间电磁波传播过程中，会遇到各种人为的或自然的电磁骚扰；这种对信号进行干扰，对信息传输进行阻碍的骚扰，称为电磁波干扰(EMI)，有时简称为“噪声”。噪声一词虽含有声音的概念，但未必是声音，有时是图象干扰，如电视的叠影、雪花等；有时用数字表示出来，如检测值偏移，计算机的错误答数等。
噪声源分类。按发生来源分为自然噪声(如空中雷电)和人为噪声(如汽车、发动机、无线电收发装置产生)。按设备环境分类，则有外部噪声和内部噪声。前者可能从空中、电源线或信号线导入；后者则由于电路元件的紧密排列，由电路元件、晶体管、或开关产生的干扰。
3.1.2电磁兼容性要求
所谓电磁兼容性，是指设备或系统在电磁环境中正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。或定义为装置或系统实际运行时，具有既不受周围电磁环境影响，也不影响周围环境，又不发生性能恶化和误协作，而能按设计要求正常工作的能力。
随着科学技术的飞速发展，人为电磁骚扰越来越严重，电磁环境日益恶化，电磁环境的污染，与水、空气受到污染一样，已成为当前生态环境三大污染之一。早在20世纪60年代，国外已经制订了电磁干扰测试标准。进入70年代，计算机在国外迅速普及，电磁干扰及其抑制问题已日渐突出。20世纪90年代以来，由于移动通信飞速发展，世界各国对电磁环境问题的关注越来越强烈。例如1989年欧共体已就有关电磁兼容性法律达成共识，1996年进行实质性实施阶段，规定电磁兼容指标合格与否，已成为欧共体市场准入或市场流通的必要条件。我国在电子、电气设备发展过程中，围绕有关电磁兼容问题而出现的矛盾日益增多，已积极进行电磁兼容技术的研究和制订对策措施。在电子设备中广泛采用抗电磁干扰器件是实现电磁兼容性的重要手段。
3.1.3电磁波干扰传播和抑制方法
(1)电磁波干扰传播途径
噪声源对电子设备的干扰通常通过传导、辐射和耦合方式传播，传导噪声往往从电子设备的电源线、信号线或地线传播；辐射噪声是通过空中或设备内部发射或接收到的；耦合是指电路元件间或电路间的静电耦合、电磁耦合或电阻耦合。
(2)噪声抑制方法　　
关于传导干扰，有差模噪声和共模噪声两种。差模噪声(又称常模噪声)是与电源电流或信号电流相同路径的噪声电流，如图3-1(a)所示。共模噪声是在大地与电缆之间流动的噪声电流产生的，如图3-2(a)所示。差模噪声在两导线之间传输，属对称性干扰，而且频率低，幅度小，造成干扰也较小；共模噪声是在导线与地线(机壳)之间传输，属非对称性干扰，而且频率高，幅度大，造成干扰也大。减小差模噪声是用串联差模扼流圈、并联电容，或用电容和电感组成低通滤波器来减小干扰，见图3-1(b)；减小共模噪声是串联共模扼流圈，在地与导线之间并联电容器，组成LC滤波器进行滤波，滤去共模传导噪声。
另一种抑制高频噪声的方法，是在导线上串接阻抗衰减器，如系用套在导线上的铁氧体磁珠，在电缆线上的两个半园环(钳形环)磁芯，或串接穿心电感器等。
关于抑制幅射干扰，主要采用静电屏蔽或电磁屏蔽的方法。用屏蔽体将噪声源及其形成的电磁场空间与另一个无电磁场的空间分开，如图3-3所示。所以屏能使外来噪声幅射不影响屏蔽体内的电子设备，也可使内部噪声密封在屏蔽体内。如果屏蔽体用金属壳体组成，并把该壳体接地，则可抑制静电感应引起的高频噪声危害，称为静电屏蔽。若屏蔽体用高磁导率的材料制成，由于磁通进入比空气磁导率高得多的磁性材料中，不能进入屏蔽体内，消除了电磁耦合，抑制了噪声干扰，称为电磁屏蔽。此外，最近也有采用吸收片制成屏蔽室，或放在电子设备壳体内，如手提电话中采用柔性铁氧体片贴在壳体上，可将高频杂波的能量变换成热能吸收，从而抑制了机外噪声影响，也吸收了机内数字电路噪声，减小对其它元件的影响。
降低电磁耦合引起的噪声干扰，除了采用元件屏蔽方法以外，合理布置元件安放位置也是重要的，可防止元件之间相互串扰。
3.2电磁波干扰(EM1)抑制器
利用铁氧体磁芯对直流或低频信号几乎不损耗功率(阻抗小)而对高频谐波信号损耗很大(阻抗大)的特性，已广泛采用铁氧体磁环(磁珠)在电子线路中抑制传导噪声和辐射噪声。
3.2.1铁氧体磁芯的阻抗
电路元件对交流电的阻碍作用，称为阻抗，用Z表示。在电阻与电感串联电路中，阻抗包括电阻(R)和感抗(ωL)两部分，并表示为：
Z=R+jωL                                (3-1)
                           (3-2)
电路中的铁氧体磁珠也可看作一个电感器和一个电阻器串联的等效电路，其电感值与铁氧体材料磁导率相对应，而电阻值则与铁氧体损耗相关联。随频率升高，铁氧体损耗电阻增大，而磁导率在达到截止频率时剧烈下降，故感抗ωL出现一个最大值，结果合成阻抗Z在某一频率出现最大值，如图3-4所示。
众所周知，不同化学组成的铁氧体材料呈现不同的磁导率一频率或损耗一频率关系曲线，相对应呈现不同的阻抗一频率曲线。高磁导率材料截止频率低，其阻抗最高值出现在低频段；而低磁导率材料截止频率高，其阻抗最大值出现在较高频段。因此，采用不同铁氧体材料可适应各种阻抗特性的要求。
磁芯尺寸、形状和绕线匝数对阻抗特性也有影响，磁芯阻抗Z和材料阻抗Z符合下列公式：
                           (3-3)
式中，N—匝数
Ae—磁芯有效截面积
le—磁芯有效磁路长度
图3-5示出同一种铁氧体材料K32(μi=700)环形磁芯的阻抗一频率特性，看到磁芯截面积增大，或者穿过磁芯孔导线匝数增多，阻抗增大，但出现阻抗最大值的频率移向低频。当采用双孔或多孔磁芯作为EMI抑制器时，因为导线穿孔次数增多，则阻抗相应增大。
3.2.2阻抗衰减器品种和特性
用铁氧体磁环(磁珠)作为EMI抑制器，是利用磁芯在高频段的阻抗特性，以衰减各种高频谐波和清除噪声干扰，所以又称为阻抗衰减器。现在已广泛采用的有穿心电感器(穿心磁珠)和片式磁珠。
穿心电感器的结构简单，用规定长度粗导线穿过磁珠中心孔，导线与孔一端用粘合剂固定，最后编带后提供用户使用。主要技术参数要求是阻抗一频率特性，其次是导线可焊性，而焊接热，磁芯强度等。铁氧体磁珠通常采用NiZn系高频铁氧体材料，磁导率从低到高已成图3-5不同铁氧体磁环的阻抗一频率曲线(日本FDX公司)系列，如日本TDK公司用于磁珠的铁氧体材料有HF30，HF40，HF55和HF70，其磁导率分别为45，120，550和1500。磁珠尺寸有φ3，5，，φ4.5，φ5等尺寸系列。
随着表面贴装技术的发展，适于表面贴装的片式磁珠(又称片式阻抗器)的生产和技术最近发展很快。一种是采用矩形磁芯，用扁导线穿孔打弯制成(如图3-6a)，可适于表面贴装；另一种是叠层型片式磁珠，其外形结构和制造工艺与2.3.1节叠层型片式电感器相同，由于在两片铁氧体薄片中间印刷一层直线状或线圈状的内导体，因此工艺更为简单，成本更低。叠层型片式磁珠最小尺寸已能制得1005型(1.0×0.5×0.5mm)，采用不同的NiCnZn铁氧体浆料，可得到不同的阻抗一频率特性。叠层型片式磁珠现在已有各种品种，如大电流片式磁珠，其额定电流最高达3A；尖峰型片式磁珠，即为某一频区，阻抗值急剧上升，呈陡削的尖峰，可在高速信号电路中使用。此外，还有磁珠排，即将二个或四个磁珠集成在一起(如图3-6b所示)。四连排磁珠最小尺寸可做到3216型(即3.2×1.6mm)。磁珠排可适合微机输入／输出多条线抑制噪声元件，可达到小型化和提高安装效率等目的。
3.3共模扼流圈
在传输线路中插接共模扼流线圈，对于抑制传导性噪声干扰是极为有效的方法，目前常用的有电源线共模扼流圈(又称电源滤波电感器)和信号线共模扼流圈两种，前者工作频率较低，后者工作频率较高。
3.3.1工作原理及结构品种
共模扼流圈是绕在磁环上的两个独立线圈(见图3-7)，所绕匝数相同，绕向相反，使扼流线圈接入电路后，对正常信号来说，两只线圈内电流产生的磁通在磁环内相互低消，不会使磁环达到磁饱和状态；但对通过电源线与地线之间的电流，由于相同方向磁通的迭加，对共模电流产生高阻抗，从而大大削弱了共模噪声的干扰。
共模扼流圈目前也有插针型和表面安装型(SMD)两种。前者通常采用UF型组合磁芯，在一个磁芯腿上安放两个同向绕制相同匝数的线圈，结构外形如图3-8(a)所示。为增大共模线圈电感值，减小漏磁，以后又采用矩形闭合磁芯或日字型磁芯结构。随着电子设备小型化和表面贴装技术发展，适于表面安装的SMD型共模扼流圈在国外也已见诸产品目录，其中包括有绕线型和多层印刷型两种，绕线型有采用I型环型组合磁芯，或者H型磁芯等，适合信号线的共模扼流圈，尺寸有4532型，3225型，2012型等品种。适合电源线的共模扼流圈，尺寸为11×10mm，最大额定电流可达6A。多层片式共模型扼流圈，有二线；三线、四线型，外形尺寸有2520型，3225型等，适于信号线上消除共模噪声，由于导线电阻小，功率损耗小，且完全整体结构，可靠性好。
3.3.2主要特性要求
对电源线的共模扼流圈(又称电源滤波电感器)，主要技术特性要求有：
(1)电感值—若两组线圈的电感值分别为L1和L2
则要求L1=L2≥规定值。
(2)电感偏差—要求
(3)直流电阻—R1=R2≤规定值
(4)阻抗特性—在特定频率时达到规定的阻抗值(偏差±25%)
除了上述主要特性要求，有的还要求额定电流值，绝缘电阻，耐压特性，以及环境试验等要求。
共模扼流圈为达到尽可能大的绕组电感值，应采用高磁导率的铁氧体材料，通常使用μi=7000～12000的MnZn系铁氧体材料。当采用VF型或EE型组合磁芯时，接合面的抛光是极重要的，以避免微小气隙降低磁导率；采用闭合的环形或日字型磁芯，可省却抛光等研磨工序，而且有更优越的磁特性。