电磁干扰滤波器磁芯的选择设计

ｎｙｓ Ｍ ｆｅｓ ｇ ａａ ｅ ｍ ｌ ｔｓ ｅｃ ｌｈｌｔ ｄｓｎｒ ｅｔ ｄ ｃｏ ｅ ｆｒ ｍｔｉ ａｄ － ａｓ ｏＥ Ｉ ｒ ｄｓｎ ｎ ｐ ， ｐｐ ｏ ｄ ｈ ｅｇ ｕｄｒａ ａｄ ｏ ｔ ｅｉ ａｒｌ ｃ ｌｉ ｆ ｉ ＇ ｅ ｓ ｘ ｅ ｈ ａ ｒ ｅ ｅ ｉｅ ｎ ｓｎ ｎ ｈ ｓ ｈ ｒｔ ｅａ ｎ ｏ ｌ ｔ ｉ ａ ｉ ｕ ｐ ｅ ｅ ｍ
２卷 ８
绕线管， 可以迅速经济地绕线。环形磁芯需要特定的 阻抗稳定网络测试滤波器。这种方法已经成为测量滤 绕线机器或必须用手绕， 这使得绕线较贵。好在共模 ‘ 波器性能的 标准方法， 但也可能带来一些与现实生活 感应器的匝数一般很小， 所以绕线的成本并不会很高。 十分不同的结果。 正因为以上原因， 在抑制应用中经常使用的共模 一个真正的一阶滤波器将提供一个衰减， 这个衰 感应器磁芯选择的几何形状是环形磁芯。当量纲为英 减以超过拐点频率每倍频 一 ｄ ６ Ｂ速度的增加。这个 以至于感抗成为阻抗的主要部分， 寸时， 环形磁芯的Ｌ 二 ． ｌ Ｏ ／ ） ０ 拐点频率一般较低， 。 １１ ７矿Ｈｇ Ｉ ｘ ８ （ Ｄ １－ Ｄ （） Ｈ 。在三个磁芯尺寸 Ｏ （ Ｄ 外直径）Ｉ （ ， 内直径） Ｄ 和 因此这样计算电感：Ｓ Ｓ Ｌ ＝ ２可。一旦知道了电感， Ｘ／ 设计的剩下部分包括磁芯的选择， 以及线圈匝数的计 Ｈ 高度） Ｈ是最重要的。这个尺寸对环形Ｌ 和磁 （ 中， 。 算。 芯的阻抗是成比例的。Ｈ加倍会使体积和磁芯的阻抗 （） １最常见的是选择磁芯的大小。如果设计有实 加倍。通过改变 Ｏ Ｄ或 Ｉ Ｄ或同时改变来使磁芯体积
ｆ ｅ， ｃ ｉ ｌ ｅ ｔ ｃｏ ｅ ｃｍ ｏ－ｏｅ ｕｔ ＇ ｅａ ａｄ ｃｌ ｌｉ ｏ ｍ ｇｅｃ ｅ ｗｎｉ ． ｔ ａ ｉ ｒ ｗ ｉ ｎ ｕ ｓ ｈｉ ｏ ｏ ｍ ｎｍ ｄ ｉ ｃ ｒ ｍ ｔｉ ｎ ｔ ａ ｕ ｔｎ ａｎｔ ｃｒ＇ ｉ ｎ Ｗｉ ｔ ｅ ｌ ｔ ｈ ｈ ｄ ｈ ｃ ｅ ｃ ｆ ｎ ｏｓ ａ ｒ ｌ ｈ ｃ ａｏ ｆ ｉ ｏ ｓ ｄ ｇ ｄ ｅ ｈｈ －
环形有一个缺点： 它们的线圈很贵。其他形状有
结合在一起在整个频谱上产生一个容许阻抗（５。 ２）
铁氧体材料的磁导率是一个由实部和虚部组成的复数 参数， 实部代表抗性的部分， 虚部代表损失的部分。复
磁导率中Ｉ’ － －和Ｎ” ｃ ， ， 是频率的函数， 是抑制应用中的最
重要的材料参数。
－卜 叼尺
２ 电磁干扰滤波器的设计
２１ 材料的选择 ． 选择材料是消除传导电磁干扰问题的第一步。为 了选择材料， 有必要知道无用的噪声频率， 这并不需要 一个精确的数字， 近似值就足够了。根据电磁干扰的 频率来选择材料。 开关电源产生的噪声主要处于基波频率， 加上更
频率 ／ ｚ ＭＨ
［ ｅ ｗｒ Ｉ Ｍ； ｅ ｍｎ ｏ ； ｒｓ Ｋｙ ｄ Ｉｎｃ； ｏ ｍｄ ｓ ｐ ｓ ｏ ｓ Ｅ ｏ ｃ ｉ ｏ － ｅｕ ｅ ｍ ｐ
０ 引 言
本文重点介绍了开关电源电磁干扰抑制中使用的 共模感应器的设计方法， 使设计者理解和选择最适宜 他们特殊用途的铁氧体材料和成分。铁氧体抑制器的 磁芯在最初的设计和改进中都很容易使用， 并且相比 而言在价格和空间方面都很经济， 已经成功地应用在 电脑及相关产品、 开关电源、 电子 自 动点火系统、 车库 门开启等很多产品的电磁干扰抑制电路中。
频， 感抗是阻抗的主要因素， 但随着频率增加， 磁导率 的实部减小， 磁芯损失增大， 如图３ 所示。这两个因素
所有材料在低频时拼’ ： 是最大的， 但随着频率的增 ． 全部阻抗成为主要因素＇ｓ 加， Ｌ 成为主要的材料参数。 Ｉ” 在拼’ ： 最大的低频， 抑制器磁芯是最具感应性的， 并抑 制电 磁干扰信号。 在较高的频段，： 拜” 成为更重要的参
第２ 卷 第７ ８ 期
２０ 年 ７ ０６ 月
现代雷达
Ｍｏ ｅｎ ｄ ｒ ｄ ｒ Ｒａ ａ
Ｖｏ． ｌ２ ８ Ｎｏ ７ ．
Ｊｌ ２０ ｕ ０６ ｙ
电磁干扰滤波器磁芯的选择设计‘
（ 空军雷达学院， 武汉４０１） ３０９
【 摘要】 针对开关电源的电磁干扰抑制原理， 设计了电磁干扰滤波器磁芯， 包括共模感应器材料的选择， 磁芯线圈的 计算。通过电磁干扰滤波器的设计实例分析， 使设计者理解和选择最适宜用于特殊用途的铁氧体材料和成分， 掌握共模
数， 抗越 阻 来越大 并吸收 传导电 扰〔。 磁干 ’ 〕
对主要部分而言， 共模感应器的材料可以选择铁 氧体， 而铁氧体可分为两组： 镍锌和锰锌。镍锌材料有 低的起始磁导率， 在低频不会产生高阻抗。主要使用 在无用噪声中大于 １ Ｍ ｚ ２ Ｍ ｚ ０ 或 ０ 的占主要成分 Ｈ Ｈ 的情况。但是， 锰锌材料在低频下能提供很高的磁导 率， 很适合于 １ ｋ ｚ ５ Ｍ ｚ ０ 一 ０ 范围的电磁干扰抑制。 Ｈ Ｈ 因为这些原因， 共模感应器的材料主要考虑高磁导率 锰锌铁氧体。 一旦决定了特定抑制应用的合适铁氧体材料， 解 决电磁干扰问题的下一步就是所需铁氧体磁芯。 高磁导率铁氧体有很多形状： 环形磁芯、 Ｅ磁芯、 壶形磁芯、Ｍ磁芯和Ｅ 磁芯等。 Ｒ Ｐ 但是大部分共模滤 波器是绕成环形。 使用环形有两个原因：１环形一般比其他形状 （） 便宜， 因为它是一片而其他形状需要两半。当磁芯有 两半时， 它们的配合表面必须很平以使它们之间的空 气间隙最小。另外， 高磁导率磁芯一般需要一个额外 研磨程序使它们变得更光滑（ 像镜子一样光滑） 。环 形不需要这些额外的生产步骤。（ ） ２ 环形在所有磁芯 形状中有效磁导率最高。其他形状的两片结构在两半 间引人了一个空隙， 这会使装置的有效磁导率减小 （ 典型大约为 ３％） ０ 。研磨可以改善这种情况但不能 消除它。因为环形做成一片， 没有空隙， 所以有效磁导 率不会减小。
需要不饱和的磁芯来支持整个线路电流。共模和差模 感应器在里面有很大的不同。为了防止饱和， 差模感
应器必须有一个有效性低的磁导率（ 间隙铁氧体或粉 末磁芯） 。但是， 共模感应器能使用高磁导率材料， 在
相对小的磁芯内能获得很高的电感。
材料来提供保护。ＦｉＲｔ公司提供了完整的覆盖了 ａ－ｉ ｒ ｅ 全部波段的抑制铁氧体。１ ｚ Ｍ 开始的使用 ７ 号和 Ｈ ３ ３ 号锰锌铁氧体， Ｍ ｚ ２０３０ ｚ １ ２ Ｈ 到 ０／０ Ｍ 推荐使用 ０ Ｈ ４ 号和４ 号镍锌铁氧体， ３ ４ 最高的频率最好使用 ６ 号 １ 镍锌， 如图４ 所示。
ｐｎｎ ｗ ｉ ａ ｏｔ ｕ ｆ ｔ ｉｓｅｉ ｐｒ ｓ， ｔ ｔ ｄｓ ｎ ｔ ｄ ａｅｔｎ ｎ ｉ ａｔ ｌ ｌａｏ． ｏｅｔ ｃ ｒ ｐｍ ｍ ｈ ｒ ｃ ｌ ｐ ｅ ｍ ｓ ｒ ｅ ｇ ｍ ｈ ａｄ ｎｏ ｐｉｓ ｃ ａ ａｐｃｔｎ ｈ ｈ ｉ ｅ ｏ ｅ ｐ ａ ｕｏ ｒ ａｅ ｈ ｅ ｉ ｅ ｏ ｎ ｔ ｉ ｏ ｔ ｎ ｕ ｐ ｉ ｉ ｔ
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图３ 阻抗与频率的关系
下面的方程将串联阻抗和复磁导率联系起来
图 ２ 电磁干扰滤波器的原理图
应器、 模感应器和Ｘ 差 与Ｙ电 ‘ Ｙ电 容〔。 容和共 〕 模感
应器能削弱共模噪声。感应器在高频噪声下会成为高 阻抗， 并当电容到地的阻抗变低时反射或吸收噪声， 将
噪声导离主线路 ， 如图２ 所示。为了使其有效工作， 共
将共模感应器绕上两匝相同数目的反向线圈。把 线圈放在磁芯中， 这样每个线圈中的线路电流将产生 大小相同却方向相反的磁通量。这两个磁通量互相消 除， 使磁芯处于无偏状态。差模感应器仅有一个线圈，
感应器的设计方法和实际应用中应注意的问题。
马 宁， 莉 陈
【 电 关键词】 磁干扰； 共模； 噪声； 抑制
中图分类号：Ｎ １ Ｔ ７３ 文献标识码： Ａ
Ｃ ｏ ｅ ｄ ｓ ｎ Ｅ Ｆｌ ｒ ｈｉ ａ Ｄ ｉ ｏ ＭＩ ｔ ｃ ｎ ｅ ｇ ｆ ｉｅ
高的 谐波频率。即噪声波谱通常工作在 １ ｋｚ ５ ０ 一０ Ｈ
Ｍｚ Ｈ 。为了提供合适的衰减， 感应器必须在这个频段 以上有足够大的阻抗。共模感应器的全部阻抗由两部
图４ 不同波段可选择的铁氧体材料
分组成： 串联感抗（ｓ ｔ） Ｘ ＝ 和串联电阻（ ｓ。在低 ｃｓ ｏ Ｒ）
Ｍ Ｎｎ ，Ｈ Ｎ Ａ ｇＣ Ｅ Ｌ ｉ ｉ （ ｉＦｒ Ｒ ｄｒ ｄｍ ， Ｗｕａ ４０ １ ， ｈ ａ Ａｒ ｃ ａａ Ａ ａｅ ｙ ｏ ｅ ｃ ｈｎ ０９ Ｃ ｉ ） ３ ｎ
［ ｂｔ ｃ Ａｍｎ ａｔｅ ｐｅｓ ｎ ｎｉｅ ｓｉｈ ｅ ｓｐｌ Ｅ Ｉ ｔ ｓ ｅ ｄｓ ｎ ｔ ｍ ｇｅｃ ｅｏ ＥＭＩ Ａ ｓａｔ ｉｉ ｔ ｓｐｒ ｉ ｐｉ ｐ ｏ ｗｔ ｐｗｒ ｐ Ｍ ， ｐｐｒ ｉ ｓ ａｎｔ ｃｒ ｆ ｒ ］ ｇ ｈ ｕ ｓｏ ｒ ｃ ｌ ｆ ｃ ｏ ｕ ｙ ｈ ａ ｉ ｅｇ ｈ ｅ ｉ ｏ
ａ 差模 Ｉ ． 扰
图１ 共模噪声和差wk.baidu.com噪声
模感应器必须提供开关频率范围内的合适阻抗。
１ 电磁干扰滤波器的原理
开关电源产生共模和差模两种噪声。差模噪声 （ 见图ｌ） ａ和输人电力的路径相同。共模噪声（ 见图 １） ｂ是用尖峰脉冲信号表述的， 两信号相等且相位同 步， 有一个通过地的电路回路。 为了抑制电磁干扰， 典型的滤波器包含了共模感
收稿 期： ６ － 日 ２０－１ ６ ０ ０ ２
修订 日 ２０－ － 期： ６ ４１ ０ ０ ５
基金项目： 国家自 然科学基金资助项目 ６３２０）国家“ （０００４ ， 十五” 科技攻关计划课题（０１ ０Ａ８ ） ２０Ｂ ２５ －９ ｏ Ａ ０ ０
第７ 期
马 宁， 电磁干扰滤波器磁芯的选择设计 等：
（ Ｎ为匝数，， Ｃ 为表示磁芯尺寸的磁芯常数： 单位 ｃ一 。 ｍ ‘ 从方程明显可以看出， ） 感抗是匝数的平方和 通过磁芯常数 Ｃ 表示的磁芯尺寸的比 ， 值。 传导电磁干扰可以在很宽的波段产生， 从低的 １ Ｍｚ Ｈ 到几个 Ｇ ｚ Ｈ 。在如此宽的波段， 需要一组铁氧体
现代雷达
加倍， 仅仅会使阻抗增加大约４％。 ０
２２ 共模设计方法 ．
际要求， 在绕线后的这些要求内选择最大的磁芯。如
果没有大小的限制， 可以随机选择一个磁芯大小。 （） ２是计算适合磁芯的匝数最大值。共模感应器 需要两个线圈， 一般单层， 在磁芯的相反的两边均有一 个线圈提供隔离。有时也用到双层和叠层线圈， 但它 们增加了线圈的分布电容， 降低了感应器的高频性能。 因为电线的尺寸由传输电流的大小决定， 所以用 磁芯内径减去电线的半径就可以计算内周长。这时通 过每匝线圈占的周长比除以电线直径（ 包括绝缘层） 可以计算线圈匝数的最大值。注意： 线圈之间需要隔
Ｚ＝ｊ， Ｒ ＝ＪＬ ＋ ， Ｗ ｏ 一ｕ即（ ） Ｘ ＋ ， ｗ ， Ｒ ＝ＪＬ（－ Ｊ ）ｆ Ｎ‘ ， ｌ ，
所以
ｗ， ｗｏ，１ Ｒ ＷＯ＂ ） ） ＝ Ｌ － ０ Ｌ ＝ Ｌ．（ ｌ‘１ ， ｔ Ｎ（ ，
式中： ＝ ｒ １－ ／， 是空气中 Ｌ （－ Ｚ ） Ｈ ｏ ｒ ０ Ｃ（ ４Ｎ ９ ） 磁芯的 感抗