电磁兼容设计-抗EMI滤波器设计与应用原理

电磁兼容设计-抗EMI滤波器设计与应用原理

1999年10月磁性材料及器件　　　　　　　　　　　　　　 23

抗EMI滤波器设计与应用原理

吴雪予

Ξ

(中国西南应用磁学研究所　四川绵阳　621000)　(浙江天通电子股份有限公司　浙江海宁　314412)

　　摘　要　铁氧体软磁材料用于电磁兼容性设计具有优良的电磁性能和价格优势。本文从

噪声滤波器原型出发着重讨论了噪声滤波器设计和应用原理,简化和推导了扼流圈电感计算公式,提出了材料优值(K值)概念。作为实例,利用电感计算公式和材料K值曲线计算了几种管形磁心阻抗,结果与实测值相符。此外,文中提出了噪声失配概念作为噪声滤波器(扼流圈)应用的理论基础。

关键词　电磁干扰　电磁兼容(EMC)性　噪声滤波器　材料K值　噪声失配

1　引言

由于诸如电脑以及移动电话之类的电

子设备不断增加,科学、医疗、工业机器、机动运输设备点火装置对那些工作在其附近的电子设备的电磁干扰(EMI)已成为一种日益严重的环境污染。解决(降低)电磁污染或提高电子设备抗拒电磁污染能力的有效办法是采用电磁兼容性(EMC)设计。本文主要介绍在电磁兼容性设计中广泛使用的噪声滤波器设计方法及应用原理。

代表储能部分。R、XL都是频率的函数。图2是N

iZn铁氧体磁心阻抗频率特性曲线。采

用串联等效电路,扼流圈阻抗为

图1　噪声滤波器原型

2　噪声滤波器原型

噪声滤波器一般采用图1所示的结构。设S为源,ZA为源阻抗,则插入损耗由下式计算:

(ZA+ZB)]　(1)LI=20lg[(ZA+ZB+ZF)

式中,ZB为负载阻抗,ZF为铁氧体磁心电感(扼流圈)阻抗, ZF =

+XL,XL=ΞL。

图2　NiZn材料阻抗频率特性

2

2

,实部R由其

复数磁导率虚部Λ",代表磁心损耗部分;虚部XL由其复数磁导率实部Λ’决定,

Ξ收稿日期:1999204212

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　　　　　　　　　　　　　　 24 JMagnMaterDevices　　ZF=R+jXL,　XL=ΞL,　　 ZF =

+XL

2

2

Vol30No5

可以看出,100MHz时扼流圈阻抗ZF;频率高于100MHz之后,扼流圈阻抗中电抗分量下降,磁心损耗增加,扼流圈阻抗ZF主要由磁心有效电阻提供。

插损计算实例:为简单计,设源阻抗和负载阻抗都为18,即ZA=ZB=18,扼流圈阻抗ZF=5008,则滤波器插损:

(1+1)]=48(dB)LI=20lg[(1+1+500) 如果ZA、ZBνZF,上式可简化为(ZA+ZB)]LI=20lg[ZF 抗EMI滤波器通常具有低通特性,所以上

述简化符合实际情况。

图3　滤波器完整结构

式得

L=ΛiL

(4)

在工作频率足够低或者小于材料谐振频率的情况下,如果忽略磁心损耗,则磁心在线路中提供的阻抗为

Z=ΞL=ΞΛiL0=

-9

(5)4.6Λ0KN2Hln(D d)×10式中,K=ΞΛi。为了使上式具有普遍性,即

既可用于环形磁心也可用于组合磁心,我们可以用磁心常数C1代入计算更加方便。环形试样磁心常数为C1=2Π Hln(D d),因此,(5)式进一步变换为　　Z=ΞL=ΞΛiL0=

2-9

4ΠKN C1×10(CGS制)(6)　　Z=ΞL=ΞΛiL0=

2

KΛ0N C1　(SI制)

(7)

3　扼流圈阻抗计算

下面以单匝管型磁心为基础首先推导一个扼流圈阻抗计算公式,然后,通过公式应用举例说明抗EMI器件设计计算的一般

方法。

3.1　单匝管型磁心

扼流圈阻抗ZF由单匝磁管构成,图3为滤波器完整结构。图中磁管作为电抗器(扼流圈)对噪声提供抑制。设扼流圈低频损耗可以忽略,则阻抗

ZF=ΞL=2ΠfL

式中,L为磁心线圈电感量,f为噪声频率,通常用低通滤波器截止频率代入。

由空心线圈电感计算式:

2-L0=4.6Λ0NHln(D d)×10得到带有磁心的线圈电感计算式:2-L=4.6ΛiΛ0NHln(D d)×10

我们称K为材料阻抗优值。K作为扼

流圈阻抗系数只与磁心电磁品质有关。由(6)式或(7)式可方便地进行任何形状尺寸闭路磁心扼流圈阻抗的快速计算。3.2　磁心材料的K曲线

磁性材料制造商一般都会给出材料的磁谱曲线(Λi～f、Λi～f曲线),由磁tan

谱曲线按式K=ΞΛi可以作出各种磁心的K曲线。作为例子,图4分别给出美国Stew2ard公司生产的28#NiZn材料(Λi=850)、33#MnZn材料(Λi=2700)和浙江天通电子公司高Λ材料TL7(Λi=7500)K值随频率变化曲线。

9

(2)(3)

9

式中,L为磁心线圈电感量(H);Λi为磁心材料磁导率;D、d为磁心外径、内径(cm);

H为磁心高度(cm);Λ0(=0.4Π×10-6)为

(3)式除以(2)真空磁导率;N为线圈匝数。

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D=4.0mm,d=2.0mm,h=2.0mm,C1=5.1mm

2-1

,N=1。查K曲线图,K=

39×1088 H,噪声扼流圈阻抗为

Z=KΛ0N C1=

39×108×12×4Π×10-7 5.1×10-3=

0.96(8)　(实测值≈0.9948)

设计器件时,根据噪声频率范围、要求的扼流圈电感,选择磁性材料;按照上述方法确定磁心尺寸和线圈匝数。3.4　计算误差估计

我们在推导(6)式和(7)式时作了不计

图4　美国Steward公司28#NiZn材料K曲线

(附33#MnZn、TL7材料K曲线)

3.3　利用K曲线快速计算扼流圈阻抗举

磁心损耗的假设,实际上在高频下磁心损耗

激增,磁心损耗作为一个等效电阻成为扼流圈阻抗的有功分量。在计及磁心损耗时如 …… 此处隐藏：4619字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……