1 引言
开关电源已被广泛用于多种电子设备中，但是，由于开关电源会产生严重的电磁干扰(EMI)，同时存在不希望有的开关电磁噪声，它们将破坏电子线路中信号的可靠性。鉴于此，在电子测量仪器中很少或者根本不采用开关电源。但是，为了减小电子测试系统的体积和重量，人们正从解决这些噪声入手，促使开关电源在电子测量仪器中得以应用。
为了抑制开关电源的噪声，已研究开发出了多种噪声滤波器，例如集成传输线型EMI滤波器，它们以分布参数电路工作，具有良好的宽带噪声抑制功能。
本文讨论一种用Mn-Zn铁氧体磁心和铜箔/聚酰亚胺膜带绕的绕圈组成的，用于开关电源的宽带共模噪声滤波器，在100kHz至100MHz的宽带范围内，具有超过30dB的宽带共模噪声抑制能力。
2 宽带共模噪声滤波器的设计分析
2.1 器件的结构
宽带共模噪声滤波器的结构见图1所示。它是用EE型的Mn-Zn铁氧体磁心和铜箔/聚酰亚胺膜带料绕制的线圈组成。35匝的铜箔/聚酰亚胺膜带料线圈有两条厚度为70μm、宽度为3mm的信号线，两条厚度为35μm、宽度为3mm的接地线，聚酰亚胺膜的厚度为50μm。所制成的滤波器主要技术参数汇总于表1。该滤波器以耦合分布参数的电路工作。
表 1  宽带共模噪声滤波器技术参数
项目 技术规格
Mn-Zn铁氧体磁心 EE型，18×29×5(mm)磁导率，见图2所示
铜箔信号线 厚70μm，宽3mm，间隔2mm，匝数35
铜箔接地线 厚35μm，宽3mm，间隔2mm，匝数35
聚酰亚胺膜介质 厚50μm，相对介电常数3.5

2.2 Mn-An铁氧体磁心的频率特性
图2所示为Mn-Zn铁氧体的复数相对磁导率μr(=μr'-jμr")的频率特性曲线。
该曲线是采用同轴波导法，磁心样品为环形磁心，使用阻抗分析仪HP4291A测得的。由图2可见，Mn-Zn铁氧体材料的低频磁导率μr'很高，但在超过100kHz的高频下的μr'则急剧下降，而其虚部μr"在200kHz左右频率时有一个峰值。
2.3 接地线位置的选择
在宽带共模噪声滤波器中，连接外围电路的接地位置可以在接地线上任意选取。在本研究项目上，笔者探索了两种接地位置：靠近向着输入端口的位置（Ⅰ型）和离开输入端口半匝的位置（Ⅱ型），见图3所示。
2.4 宽带共模噪声滤波器的等效电路
为了分析信号传输的特性，我们引入了一种耦合分布参数的电路模型。该模型与参考文献[1]所报道的几乎一致，其微小的差别仅仅在于，本研究的电路模型考虑了接地线的阻抗和信号与接地线之间的互耦问题，参见图4所示。
在共模信号传输中，由于同相位的信号通过两条信号线传输，所以，可以把等效电路以单条信号线模型来表示。图4是根据不同接地位置的选择所绘制的共模等效电路图，图中○是螺旋线的方位角，符号k表示不同线路间的磁耦合系数。因为使用的是高磁导率Mn-Zn铁氧体磁心作为闭合磁路的，故k设为“1”。考虑到每条线路的自感值L*和不同线路间的互感值M*是不同的，故分别以下列式(1)、式(2)来表述：
                       
(1)
                        (2)
式中，Se—磁路中磁通路径的有效截面积，le—磁路的有效长度；图4中符号的含意为：Rs—信号线单位角的直流电阻值，Rg—接地线单位角的直流电阻值。在该等效电路中，不仅存在Rs和Rg，还存在Mn-Zn铁氧体磁心的等效损耗电阻值。磁心的等效损耗电阻值用“ωL和ωM”表述，它们与铁氧体磁心的ωμoμr"成正比。图5所示为ωμoμr"与频率的关系，图中显示，在4MHz左右ωμoμr"有一个峰值，而且即使在100MHz时，该值仍然很大。所以，可以期待这种滤波器具有强的宽带噪声吸收功能。图4中的Csg和Gsg分别表示信号线和接地线之间的分布电容和电导，它们是由聚酰亚胺膜介质层所引起的。Csg和Gsg的经验方程式通过直接测量导纳得到，用于模拟工作时。
图6所示为在频率f=24MHz时，用等效电路模拟计算共模线电压分布的两种状态。根据存在Rs、Rg、L*、M*、Csg和Gsg的耦合分布参数电路，可得到线路电压和线路电流的微分方程式，从而计算出共模传输特性。
2.5 线路电压分布
将频率24MHz的共模信号加到输入端以后，计算得到线路电压的分布状态。图6所示为负载阻抗为50Ω的情况下，计算得到的Ⅰ型和Ⅱ型滤波器的共模线路电压分布状态，从计算的图示结果可以看到，Ⅱ型滤波器的线路电压分布为二维（2D）驻波。在图示的Ⅱ型滤波器中，没有显示线路电压分布状态的细节，但可以确认在直至100MHz的宽频率范围内，其共模输出信号都保持着低电平。而Ⅰ型滤波器线路电压的分布状态则没有得到这样的驻波。这些结果可以说明，线路电压的分布状态与接地位置的选择关系密切。
3 实验结果的分析讨论
3.1 信号传输特性
图7所所示为从Ⅰ型和Ⅱ型滤波器测得的传输系数S21。图7中同时给出了利用参考文献[2]所提出的方法而计算得出的S21。可以看出，计算值与测量结果是吻合的。测试结果显示，Ⅱ型滤波器的S21要比Ⅰ型的测试值小得多。在100kHz~100MHz这么宽的频率范围内，Ⅱ型滤波器具有超过30dB的宽带共模噪声抑制能力。
笔者还测试了其它几种接地位置的信号传输特性，比较其结果，Ⅱ型滤波器的接地位置可以得到更好的宽带共模噪声抑制能力。
我们还制造了一种由共模扼流圈和陶瓷电容器组成的集成元件滤波器。其共模扼流圈与上述器件一样，采用的是Mn-Zn铁氧体磁心和一对常用的35匝线圈。陶瓷电容器的电容量与前述滤波器中信号线和接地线之间的总电容值近似相等。这种集成元件滤波器的共模噪声抑制性能，和Ⅰ型滤波器十分接近，由此可以得出结论，Ⅱ型滤波器的性能优于常规集成元件滤波器。
3.2 宽带共模噪声滤波器在开关电源中的应用结果
我们将Ⅱ型滤波器应用到开关频率为200kHz，输出电压为12V的开关电源中，对其性能进行测试，图8所示为使用了和没有使用Ⅱ型滤波器的开关电源之输出噪声的频谱。该噪声频谱是电源的输出功率为25W的情况测得的。可见，使用了Ⅱ型滤波器作为输出共模噪声抑制的开关电源，在宽频带范围内有显著的噪声抑制效果。
4 小结
采用Mn-Zn铁氧体EE型磁心和铜箔/聚酰亚胺膜带共绕的线圈所组成的宽带共模噪声滤波器，在100kHz~100MHz的宽频率范围内，可以得到超过30dB的共模噪声抑制能力。该宽带噪声滤波器的优良性能，来自于Mn-Zn铁氧体材料的高频磁损耗大以及对接地线接地位置的最佳选择。
参考文献
[1] T. Sato.et， IEEE Trans. Magn; 2003， 39(5). P3205~3207
[2] K. Sato.et.， J. Magn. Soc. Jpn.， 2004. 28(5). P731~737
[3] K.Yamagisawa.et. IEEE Trans. Magn; 2005 41(10) P3571~3573