EMI濾波器的制作

隨著各種電子設(shè)備、電視網(wǎng)絡(luò)、程控交換機(jī)、移動(dòng)通信機(jī)及辦公自動(dòng)化的日益普及，電子系統(tǒng)中的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，電磁干擾（EMI）現(xiàn)象日益嚴(yán)重，并且成為影響系統(tǒng)正常工作的突出障礙。美國是世界上最先感受到電磁污染引起潛在問題的國家之一，為了減小、抑制和消除電磁干擾，美國聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）在1980年代初就制定了強(qiáng)制實(shí)施的控制電磁干擾的極限以及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)（MIL-STD-461B等）。近幾年，我國也在逐步等同采用或等效采用美國這方面的標(biāo)準(zhǔn)，并制定了我國的國家標(biāo)準(zhǔn)（GJB151-86等），把電磁兼容問題也提到了議事日程上［1］。電磁干擾按其能量傳播的方式可分為輻射干擾和傳導(dǎo)干擾兩種。對于輻射干擾，采用屏蔽技術(shù)來消除效果最好；而對于傳導(dǎo)干擾，采用磁性濾波器件來消除、抑制則是最有效和最經(jīng)濟(jì)的方法。并且將抗EMI元器件安置到盡可能靠近干擾源的地方，還可有效減少輻射干擾的產(chǎn)生?？笶MI磁性器件按其抑制或吸收傳導(dǎo)干擾的工作原理又可分為吸收式抗EMI濾波器和組合式抗EMI濾波器。本文即對這兩類抗EMI濾波器件的工作原理、常見類型及適用場合作一闡述，并簡要論述近年來抗EMI濾波器發(fā)展的熱點(diǎn)及預(yù)測其發(fā)展的趨勢。2吸收式抗EMI濾波器吸收式抗EMI濾波器在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于一個(gè)繞線或穿心的磁芯線圈，這類濾波器主要是利用磁性材料的阻抗頻率特性來達(dá)到抑制EMI的目的。我們知道，當(dāng)將一磁導(dǎo)率為川的磁芯插入電感量為L的線圈中（假設(shè)忽略線圈的損耗），則該線圈的復(fù)數(shù)阻抗Z可表示為：0z= -i叭（衛(wèi)‘-訕=叭註*+j叫工=K+jX （I）式中，恥血卅等效于電阻；X二血卅等效于電抗；宀總為角頻率；川、"分別為磁芯磁導(dǎo)率的實(shí)部、虛部。式中，|忑|=麗<2）在材料的截止頻率以下，川>"，阻抗主要由川貢獻(xiàn)，而當(dāng)工作頻率超過材料的截止頻率以后，卅急劇下降，而川下降到一定程度以后變化逐漸緩慢，卅遠(yuǎn)大于川，此時(shí)阻抗主要由卅貢獻(xiàn)。并且由于阻抗與角頻率成正比，磁導(dǎo)率下降對阻抗的降低效果小于頻率上升對阻抗的升高效果，因此隨頻率的提高，阻抗仍在不斷升高，直到由于分布電容影響，構(gòu)成了低阻抗的通道及材料磁導(dǎo)率虛部進(jìn)一步下降，阻抗才達(dá)到一峰值后開始緩慢下降?？偟膩碚f，磁芯線圈在高頻段時(shí)的阻抗遠(yuǎn)大于其在低頻段的阻抗。磁芯線圈阻抗的頻率特性如圖1所示。這樣，對于頻率低于磁性材料截止頻率的有用信號(hào)，磁芯線圈僅相當(dāng)于一個(gè)低阻抗的電感器，信號(hào)很容易通過。而對于高頻段的干擾，磁芯線圈的阻抗很大，成為一個(gè)高效的干擾衰減器。

在吸收式抗EMI濾波器中，磁芯線圈作為干擾信號(hào)的衰減器，一般都是跟信號(hào)源、負(fù)載串聯(lián)使用的。其等效電路如圖2所示。鐵氧體元器件對EMI信號(hào)的衰減(插入損耗)，按下式計(jì)算：/L=20ig(ZA+ZB)/(ZA+ZB)(3)其中Z為信號(hào)源阻抗，Z為鐵氧體磁芯阻抗，Z為負(fù)載阻抗。在需要衰減的EMI頻段，鐵氧體的AFB阻抗Z比信號(hào)源阻抗和負(fù)載阻抗Z在數(shù)量級(jí)上高很多，因此，通常情況下，衰減量都很大，甚FB至可把衰減公式近似為/A=201g{ZF/2ZA) tJ)一般來說，為了達(dá)到最佳的干擾濾除效果，希望吸收式抗EMI濾波器在干擾的中心頻段具有最大的阻抗值，而濾波器阻抗的峰值頻率點(diǎn)一般又與磁芯材料的截止頻率成正比，即與磁芯材料的起始磁導(dǎo)率成反比。因此，為了滿足濾除不同頻段電磁干擾的要求，用于吸收式抗EMI濾波器的材料必須加以系列化。圖3為Ferroxcube公司抗EMI濾波器系列材料的阻抗頻率曲線［2］，可見，對于不同的抗EMI材料具有不同的阻抗峰值頻率點(diǎn)，分別針對濾除不同頻段的干擾。//MHz國3Fcmjxcubc 不闔那號(hào)擾EMI材料関抗鞭陽蹈吸收式抗EMI濾波器按其具體用途可分為小信號(hào)濾波器、中間(intermediate)濾波器和電源濾波器三大類。小信號(hào)濾波器主要用于吸收多股并行信號(hào)傳輸線上附加的干擾，如交換機(jī)數(shù)據(jù)聯(lián)線、計(jì)算機(jī)主機(jī)-顯示器聯(lián)線、主機(jī)-驅(qū)動(dòng)器聯(lián)線干擾等等。此類濾波器一般制作成多孔平板狀或扁平盒狀，每條信號(hào)線相當(dāng)于都通過了一個(gè)單匝的磁芯。對于不同的干擾頻段，要求濾波器具有不同的阻抗峰值頻率點(diǎn)，這可通過選擇不同的材料來實(shí)現(xiàn)，而阻抗的大小則主要由磁芯的長度來控制。對于中間濾波器，其安置的位置頗有講究。如果已知道某個(gè)元件是干擾產(chǎn)生的源，如晶體管或MOS管引起的過沖現(xiàn)象，可將濾波器做成引腳磁珠，直接安置在晶體管或MOS管的引腳上，以盡可能地防止干擾的傳播。如果引起干擾的元件不易確定，但是干擾傳輸?shù)耐緩侥軌蛎鞔_，如高速數(shù)字時(shí)鐘線，則可將濾波器制作成穿心磁珠或SMD磁珠,連接在干擾傳輸線上，達(dá)到抑制干擾的目的。為了進(jìn)一步提高濾波能力，還可采取繞多匝線圈或添加旁路電容的方式來實(shí)現(xiàn)。如果只知道干擾由某塊PCB板產(chǎn)生，則濾波器需安裝在此PCB板與系統(tǒng)其它部分所連接的線路上，這也可采用穿心磁珠來實(shí)現(xiàn)，如果需要更大的阻抗，還可采用多孔磁珠，讓線路按一定規(guī)則穿過多孔，直到滿足阻抗要求為止［2］。此外，還有一類寬頻帶扼流圈也屬于此類濾波器，一般為環(huán)形，讓所有可能產(chǎn)生干擾的線路都穿過或繞制在磁芯上面，它的優(yōu)點(diǎn)是寬頻帶及高阻抗，這種扼流圈要特別注意各線路之間的相互絕緣及有效降低分布電容。對于電源濾波器件,由于線路上通過的電流一般較大，所以要特別注意磁芯的飽和問題。這類濾波器包括開關(guān)電源中應(yīng)用的共模扼流圈、電源線路扼流圈等等。電源共模扼流圈的結(jié)構(gòu)如圖4所示。雖然差模電流能夠相互補(bǔ)償，但在實(shí)際生產(chǎn)中，兩個(gè)繞組不可能做到完全對稱，使得L1和L的電感量不相等，從而也會(huì)對磁芯產(chǎn)生一定的偏置效果，因此也應(yīng)該注意磁芯的飽和現(xiàn)象，2最好選擇B較大的磁芯來制作。L和L的差值(L—L)形成的差模漏電感L和C電容器同時(shí)也s 1 2 1 2 ex組成L-N獨(dú)立端口間的一只低通濾波器，在一定程度上也可抑制電源線上存在的差模EMI信號(hào)。對于電源線路上專門的差模扼流圈，由于承受的偏置電流大，目前最理想的材料是選擇復(fù)合磁粉芯，它是將金屬軟磁粉末經(jīng)絕緣包裹壓制退火而成，相當(dāng)于把一集中的氣隙分散成微小孔穴均勻分布在磁芯中，不但材料的抗飽和強(qiáng)度增大，而且磁芯的電阻率比金屬軟磁材料增大了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而可應(yīng)用在較高的頻段內(nèi)。磁粉芯的起始磁導(dǎo)率不是很高，為了獲得高阻抗，可通過增加匝數(shù)來實(shí)現(xiàn)。圍4電洗臆液皓阿諸3組合式抗EMI濾波器組合式抗EMI濾波器又稱為反射式濾波器或復(fù)合LC型濾波器。它是利用巴特奧斯或切比雪夫?yàn)V波器的設(shè)計(jì)原理和理論，根據(jù)在交流狀態(tài)下電容的通高頻阻低頻、電感的通低頻阻高頻的特性，將電感和電容組合連接成電路，使其具有一定的濾波功能。濾波要求不同，選用的LC組合及對電感和電容值的要求也不同。復(fù)合LC噪聲濾波器電路通常采用聲型、T型及「型電路及它們的組合等，使濾波器對信號(hào)源阻抗匹配，讓所需要的信號(hào)幾乎無衰減地通過，而對高頻干擾呈現(xiàn)大的阻抗失配，使由信號(hào)源傳導(dǎo)到濾波器輸入端的干擾大多數(shù)被反射回源，而由濾波器輸出端反向傳輸?shù)母哳l干擾也被反射回負(fù)載。由于其所具有的雙向抑制性，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要使濾波器的端口處與源端和負(fù)載端產(chǎn)生最大的阻抗失配，這樣才能使濾波器對電磁干擾的衰減等于自身網(wǎng)絡(luò)的衰減再加上輸入和輸出端口所產(chǎn)生的反射。因此，在濾波器結(jié)構(gòu)的選擇上，必須充分考慮源端阻抗和負(fù)載阻抗的情況。對于常用的n型、T型及「型組合式濾波器，其結(jié)構(gòu)選擇的規(guī)律如圖5所示。陽陽5證型?T型及廠型遽披昶選擇規(guī)律在組合式抗EMI濾波器中，由于其電容和電感在高頻時(shí)容易受到分布參數(shù)的影響，甚至發(fā)生諧振現(xiàn)象，使濾器插損性能急劇下降，因此，它一般只適用于抑制頻率相對較低的干擾。但其濾波效果可通過調(diào)整電感電容值或?yàn)V波階數(shù)來改變，因而在抑制頻率不是太高的干擾時(shí)，組合式濾波器能夠產(chǎn)生更佳的除噪效果，適用于對付強(qiáng)大的噪聲及需要充分去除噪聲的地方，并且其抑制噪聲的頻段變化也很靈活，針對性可以很強(qiáng)。吸收式濾波器由于消除了器件分布參數(shù)的作用，能夠很好地保證其高頻插損性能，因此多用于抑制高頻的干擾，如果將組合式濾波器和吸收式濾波器適當(dāng)串聯(lián)使用，則可滿足系統(tǒng)寬帶內(nèi)的高性能插損指標(biāo)。4抗EMI濾波器的發(fā)展趨勢電子系統(tǒng)的小型輕量化的發(fā)展，促使抗EMI濾波器也不斷朝小型化、片式化方向發(fā)展。多層片式抗EMI器件就是近年來隨著高密度表面組裝技術(shù)（SMT）的發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型表面貼裝元件（SMD），由于其小型化的潛力很大，成為近年來研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。這些抗EMI元器件包括片式磁珠型EMI/RFI抑制器、片式電感器、片式組合式（LC型等）濾波器、片式扼流圈等。在尺寸上，美國已制定出相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，如1008（1.0mmX0.8mm）,0805,0603,2012等型號(hào)。由于這類抗EMI器件對采用的鐵氧體材料有特殊的要求，不僅要求其燒結(jié)溫度低、電阻率高、而且要不與內(nèi)導(dǎo)體發(fā)生反應(yīng)，因此，近年來人們花費(fèi)了大量的精力和財(cái)力研究降低該系統(tǒng)材料的燒結(jié)溫度以及改進(jìn)其電磁性能，取得了不少有價(jià)值的成果［3~6］o隨著片式抗EMI器件尺寸的進(jìn)一步縮小，如何在小尺寸濾波器上獲得大的電感量或阻抗值將是今后需重點(diǎn)研究的內(nèi)容。另外，為適應(yīng)IC電路小型化精密印制板電路抗EMI的需求，對薄膜型組合式濾波器的研究也逐漸增多。上世紀(jì)90年代后期，美國泰克公司、日本東北大學(xué)先后開發(fā)出薄膜n型和薄膜LC抗EMI濾波器，使用頻段在1?1000MHz之間，最大插損達(dá)到25dB。由于這種抗EMI器件完全采用薄膜工藝來完成，有望實(shí)現(xiàn)更高的集成度。此外，一些新型磁性材料的應(yīng)用，也為抗EMI濾波器的發(fā)展注入了新的活力。納米晶軟磁合金，如Finemet具有與鉆基非晶磁性合金相匹敵的高磁導(dǎo)率（p±16000），還具有與鐵基非晶合金相近的高飽和磁通密度（B~1.35T）,T~570°C，高溫下的磁穩(wěn)定性很好，非常適合用作共模sC扼流圈及零相電抗器等［7］，性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)材料制作的相應(yīng)濾波器件。但目前此類材料的成本較高，成為其發(fā)展的最大障礙，如何有效降低此類材料的生產(chǎn)成本，將是決定其能否走向產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。