铁氧体磁珠在开关电源电磁兼容设计中的应用.pdfVIP

磁珠在开关电源 EMC 设计中的应用 电磁兼容问题已经成为当今电子设计制造中的热点和难点问题。实际应用中的电磁兼容问题十分复杂，绝不是依靠理论知识就能够 解决的，它更依赖于广大电子工程师的实际经验。为了更好地解决电子产品的电磁兼容性这一问题，主要要考虑接地、）电路与 PCB 板设计、电缆设计、屏蔽设计等问题。 本文通过介绍磁珠的基本原理和特性来说明它在开关电源电磁兼容方面的重要性，以求为开关电源产品设计者在设计新产品时 提供更多、更好的选择。 1 铁氧体电磁干扰抑制元件 铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为灰黑色。电磁干扰滤波器中经常使 用的一类磁芯就是铁氧体材料，许多厂商都提供专门用于电磁干扰抑制的铁氧体材料。这种材料的特点是高频损耗非常大。对于抑 制电磁干扰用的铁氧体，最重要的性能参数为磁导率 μ和饱和磁通密度 Bs。磁导率 μ可以表示为复数，实数部分构成电感，虚数 部分代表损耗，随着频率的增加而增加。因此，它的等效电路为由电感 L 和电阻 R 组成的串联电路，L 和 R 都是频率的函数。当 导线穿过这种铁氧体磁芯时，所构成的电感阻抗在形式上是随着频率的升高而增加，但是在不同频率时其机理是完全不同的。 在低频段，阻抗由电感的感抗构成，低频时 R 很小，磁芯的磁导率较高，因此电感量较大，L 起主要作用，电磁干扰被反射而 受到抑制；并且这时磁芯的损耗较小，整个器件是一个低损耗、高 Q 特性的电感，这种电感容易造成谐振因此在低频段，有时可 能出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。 在高频段，阻抗由电阻成分构成，随着频率升高，磁芯的磁导率降低，导致电感的电感量减小，感抗成分减小 但是，这时磁 芯的损耗增加，电阻成分增加，导致总的阻抗增加，当高频信号通过铁氧体时，电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。 铁氧体抑制元件广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上。如在印制板的电源线入口端加上铁氧体抑制元件，就可以滤除高 频干扰。铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰，它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。 2 磁珠的原理和特性 当电流流过其中心孔中的导线时，便会是磁珠内部产生循环流动的磁道。用于 EMI 控制的铁氧体配制时，应当可以把大部分 磁通作为材料中的热散掉。这个现象可以由一个电感器和一个电阻器的串联组合来模拟。如图 2 所示 两个元件的数值大小与磁珠的长度成正比，而且磁珠的长度对抑制效果有明显影响，磁珠长度越长抑制效果越好。由于信号能 量呈磁耦合加到磁珠上，故电感器的电抗与电阻的大小随频率的升高而增大。磁耦合的效率取决于磁珠材料相对于空气的导磁率。 通常组成磁珠的铁氧体材料的损耗可以通过其相对于空气的导磁率，表示成一个复数量。 磁性材料常常用由此比值 表征出损耗角 。用于 EMI 抑制元件要求较大的损耗角，这意味着大部分干扰都将被耗散而不被反 射。目前出现的各种各样的可用铁氧体材料，为设计人员将磁珠用于不同场合提供了很大的选择余地。 3 磁珠的应用 3.1 尖峰抑制器 开关电源最大的缺点就是容易产生噪声和干扰，这是长期困扰开关电源的一个关键的技术问题。开关电源的噪声主要是由开关 功率管和开关整流二级管快速变化的高压切换和脉冲短路电流所引起。因此采用有效元件把它们限制到最小程度是抑制噪声的主要 方法之一。通常采用非线性饱和电感来抑制反向恢复电流尖峰，此时铁芯的工作状态是从-Bs 到+Bs。根据在开关电源续流二极管 上的高磁导率与可饱和性的超小型电感元件—磁珠特性的一致性，开发出用来抑制开关电源开关时产生的峰值电流的尖峰抑制器。 尖峰抑制器的性能特点： （1） 初始和最大电感值很高，饱和后残余电感值非线性极不明显。串联接入回路后，电流升高瞬间显示出高阻抗，可以作为 所谓的瞬间阻抗元件使用。 （2 ） 适用于防止半导体回路中瞬态电流峰值信号、冲击激励电路和由此而伴生的噪声，还可以防止半导体损坏。 （3 ） 剩余电感极小，电路稳定时损耗很小。 （4 ） 与铁氧体制品的性能绝然不同。 （5 ） 只要避免磁饱和，可作为超小型、高电感的电感元件使用。 （6 ） 可以作为低损耗的高性能可饱和铁芯用于控制和产生振荡。 尖峰抑制器要求铁芯材料具有较高的磁导率，以得到较大的电感量；高矩形比可使铁芯饱和时，电感量应迅速下降到零；矫顽 力小、高频损耗低, 否则铁芯放热不能正常工