探讨EMC中共模电感的选择

陈晨 王刚

苏州长风航空电子有限公司 江苏 苏州 215004

引言

DC/DC变换器由于功率密度及效率高、体积小、易用性、灵活性现已广泛应用于远程及数据通信、计算机、办公自动化设备、军事、航天等领域。对于DC/DC变换器来说，内部产生的干扰主要来自于开关电路。DC/DC变换器是利用开关电路开和关的时间比来控制输出电压的大小的，其通常在20KHz以上的开关频率下工作，内部的dv/dt、di/dt很大，会产生较大的浪涌电压及浪涌电流。除此之外，开关电路的输出整流二极管也处于高频通断状态，与高频变压器组成的回路也会产生同样的干扰。这些干扰会通过电源线传导出去，同时还向周围辐射噪声。

1 EMC滤波电路的组成

电源线中的干扰分为共模干扰和差模干扰。共模干扰在导线与地（机壳）之间传输，属于非对称性干扰，它定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差；差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰，它定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差。在一般的DC/DC转换电路中，共模干扰产生的干扰幅度大、频率高还会通过导线产生辐射。差模干扰相对产生的干扰幅度小、频率低。针对这两种干扰[1]，常用的DC/DC变换器输入滤波电路如图1所示。

图1 滤波电路原理图

输入滤波电路中包含了共模滤波电路（L1、C3、C4）以及差模滤波电路（C1、C2）。在这个滤波电路中，共模电感的性能优劣对该电路是否能有效滤除电路中的干扰起着决定性作用，因此如何选择合适的共模电感是该电路的重点。

2 共模电感磁芯材料的选用

根据磁性材料不同使用的特性和应用，可以将其分为软磁、硬磁、压磁等。我们平时所用的绝大部分感性器件都是由软磁做成。磁性材料的选择除了要正确选择其基本的磁参数(如Bs、μi、Tc)外，还要仔细选定它们的电特性(如电阻率、频宽、阻抗等)。

应根据所针对的频段选择具有特定损耗频率响应曲线的材料，这样才能在需要衰减EMC信号的频段内其损耗较大，因而可以把EMC衰减到最低电平，而在需要传输信号的频段内损耗应较小，这样信号容易通过。

EMC设计中常用的磁性材料主要是铁氧体、磁粉芯、非晶态合金。针对实际应用中重点关注的10K～30M频段我们来分析一下该如何选自共模电感的磁芯。

为了使共模电感在该频段能起到良好的抑制共模干扰的作用，其在该频段必须维持高阻抗状态。共模电感的阻抗（Zs）分为两部分，一部分是串联感抗（Xs），另外一部分是串联电阻（Rs）。在低频段时以感抗为主，高频段以阻抗为主，两种阻抗的结合即为磁芯的总阻抗。

图2 频率与阻抗关系曲线

如图1中的L1是由磁环及绕在磁环上的两个独立的线圈组成，两个线圈所绕圈数相同，绕向相反。当电流流过电感时，两只线圈产生的磁通在磁芯中相互抵消，不会使磁芯饱和。在低频段，干扰信号比较弱，共模电感选用的磁性材料要求具有较高的磁导率。在实际使用中除了要考虑较高的磁导率，还要考虑磁性材料在电路中的特性。下面选取了几种常用的磁性材料进行分析[2]，其性能如表1，不同材料的频率与阻抗曲线如图3。

表1 不同磁性材料磁性能对比

图3 不同磁性材料的频率与阻抗曲线

曲线IV是外国专门用于抗共模干扰用的电感磁芯(锰锌铁氧体PC40)所呈现的阻抗特性，曲线Ⅲ是国产铁氧体的阻抗特性。由于铁氧体的电阻率较高，在100～10kHz的低频段感抗起主要作用，故在该频段内铁氧体对干扰的抑制作用较小。超微晶(曲线Ⅱ)和金属磁性材料薄膜合金1J851(曲线Ⅰ)材料由于材料本身的电阻率比较低，随频率增加时，其涡流损耗也增加，其等效阻抗Z比铁氧体大得多。在10～100kHz的频段内，几种材料的阻抗都在变大，虽然两种铁氧体曲线的斜率要大于其他两种材料，但是超微晶(曲线Ⅱ)和金属磁性材料薄膜合金1J851(曲线Ⅰ)材料的阻抗仍然大于两种铁氧体。1M附近，进口铁氧体的阻抗达到峰值，阻抗最大，1J851次之，国产铁氧体排第三。故针对该阻抗曲线可以得出以下结论：

（1）在100～100kHz频段内金属磁性材料薄膜合金1J851最优，超微晶次之。

（2）在1MHz附近进口铁氧体最优。

频率越高，磁芯损耗越大，阻抗就越小。一般磁导率高的材料，高频损耗也大，因此要对更高频率的干扰起到抑制作用，就需要更低的磁导率与更低的分布电容。所以比起超微晶(曲线Ⅱ)和金属磁性材，铁氧体更适合使用在高频段。

铁氧体分为锰锌和镍锌，镍锌材料的特点是初始磁导率低（＜1000μ），但是它们可在非常高的频率（＞100MHz）下保持磁导率不变。相反，锰锌材料的磁导率可超过15000，但是在频率为20kHz时磁导率就可能开始下降。因为镍锌材料磁芯的初始磁导率较低，所以，它在低频时不能产生足够高的阻抗，干扰主要部分的频率大于10或者20MHz时，他们是常用的材料。锰锌材料磁芯在低频(50MHz下，特别是10MHz以下)时有很高的磁导率，故适合使用于抑制低频段的干扰。

3 实物测试

搭建测试平台，同一台产品，在DC/DC变换器输入端加上镍锌共模电感后测试结果如图4、图5所示。从图片中可以看出，镍锌电感对15～30M频段的干扰有明显的抑制作用[3]。

图4 输入端未加电感

图5 输入端加镍锌电感

4 结束语

在EMC中需针对问题频段选择合适磁性材料的共模电感，单个电感也不可能在所有频段都有良好的抑制作用，如何选择合适的材料并将它们在电路中组合使用以达到最优效果还需要我们进行更多的探索。