EMC设计之磁性元器件的选用
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磁性元器件是一种可以将磁场和电场联系起来的元器件，其固有的可与磁场互相作用的能力使其比其他元器件更为敏感。这些元器件一方面会产生令人讨厌的电磁干扰问题，另一方面它们又是抑制电磁骚扰不可或缺的器件。图1所示是两种基本类型的电感磁芯：开环磁芯和闭环磁芯。它们的不同在于内部磁力线的闭合方式。在开环磁芯中，磁场通过空气闭合；而闭环磁芯中，磁场通过磁芯完成磁路。开环电感的磁场穿过空气，这将引起辐射并带来电磁干扰问题。在选择开环电感时，绕轴式比棒式更好，因为这样磁场将被控制在磁芯周围（即磁体旁的局部范围）。对闭环电感来说，磁场被完全控制在磁芯，因此在电路设计中这种类型的电感更为理想，螺旋环状的闭环电感不仅将磁场控制在磁芯，还可以自行消除所有外来的附带场辐射。电感的磁芯材料主要有两种：铁和铁氧体。铁磁芯电感用于低频场合（几十千赫），而铁氧体磁芯电感用于高频场合（兆赫）。因此铁氧体磁芯电感更适合于电磁兼容应用。图2给出一些常见的电感元件。共模扼流圈是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，如图3所示。它由两个尺寸相同、匝数相同的线圈对称绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，形成一个四端器件，对于共模信号呈现出大电感具有抑制作用，而对于差模信号呈现出很小的漏电感（几乎不起作用）。它由两个尺寸相同、匝数相同的线圈对称绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，形成一个四端器件，对于共模信号呈现出大电感具有抑制作用，而对于差模信号呈现出很小的漏电感（几乎不起作用）。其工作原理是流过共模电流时磁环中的磁通相互叠加，从而具有相当大的电感量，对共模电流起到抑制作用，而当两线圈流过差模电流时，磁环中的磁通相互抵消，几乎没有电感量，所以差模电流可以无衰减地通过。因此共模扼流圈在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号，而对线路正常传输的差模信号无影响。（1）绕制在线圈磁芯上的导线要相互绝缘，以保证在瞬时过电压作用下线圈的匝间不发生击穿短路。（3）线圈中的磁芯应与线圈绝缘，以防止在瞬时过电压作用下两者之间发生击穿。（4）线圈应尽可能绕制单层，这样做可减小线圈的寄生电容，增强线圈对瞬时过电压的耐受能力。通常情况下，在选择所需滤波的频段，其共模阻抗越大越好，因此在选择共模扼流圈时需要查看器件资料，主要根据阻抗频率曲线选择。另外选择时注意考虑差模阻抗对信号的影响，主要关注差模阻抗，特别注意高速端口。图4所示为常见的两种电源滤波用共模扼流圈；图5所示为其内部结构及插入损耗特性。图4（a）所示的扼流圈为交流电源用标准型共模扼流圈，扼流圈通过骨架将火线（L极）与零线（N极）绕组分开成两个槽，因此也称为两槽扼流圈；图4（b）所示的扼流圈为交流电源用分区型共模扼流圈，扼流圈通过骨架将火线（L极）与零线（N极）绕组分开成两个大槽，在每个大槽中分别细分为两个小槽，两极绕组平均细分绕制在四个小槽中，因此也称为四槽扼流圈。图5（a）所示为两槽与四槽扼流圈的绕制方式，图5（b）所示为其衰减特性的差异。两槽扼流圈中每极绕组均紧密绕制，同样的匝数可获得较大电感量，对低频干扰有较大衰减；四槽扼流圈，由于每极前半匝数与后半匝数分开成两个线槽，可以有效地减小每极线圈的输入与输出端之间的分布电容，因此可以有效地提高该扼流圈的高频滤波特性。由图5（b）的衰减特性可以看出，在磁芯和线圈匝数一定的情况下，四槽扼流圈的谐振频率比两槽扼流圈高将近一倍，在高频段较大频率范围内，四槽扼流圈插入损耗均大于两槽扼流圈10dB，而在低频段两者的滤波效果也相当接近。有些扼流圈为了进一步提高其高频滤波特性，将每极的绕组分别平均绕制在三个线槽中，形成六槽共模扼流圈。实际使用中，两槽与四槽扼流圈成本相差很小，因此建议尽量采用四槽共模扼流圈。电路板上信号线采用共模扼流圈，由于两极之间压差很小，为降低制造成本和减轻质量，通常采用双线并绕方式，如图7所示。此类共模扼流圈的电感量不太大，主要用于较高频率的共模骚扰抑制。在电磁兼容应用中特别使用了两种特殊的电感类型：铁氧体磁珠、铁氧体磁环和磁夹，分别如图7、图8和图9所示。铁氧体磁珠是单环电感，它是将单股导线穿过铁氧体型材而形成单环。这种器件在高频范围的衰减约为10dB，而在直流时衰减量很小。类似铁氧体磁珠，铁氧体夹在高达GHz的频率范围内的共模（CM）和差模（DM）的衰减均可达到10～20dB。铁氧体材料是铁镁合金或铁镍合金，是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。这种材料具有很高的磁导率，可以使电感的线圈绕组之间在高频高阻的情况下产生的电容最小。它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为灰黑色。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，磁珠的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路，其中XL（对应的感抗为X）和R都是频率的函数，如图10所示。铁氧体磁珠与普通的电感相比具有更好的高频滤波特性。铁氧体在高频时呈现电阻性，相当于品质因数很低的电感器，所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高高频滤波效能。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，有时可能会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。铁氧体抑制元器件广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上。例如，在印制板的电源线入口端加上铁氧体抑制元器件，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，其实它还具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。铁氧体抑制元器件应当安装在靠近骚扰源的地方。对于输入/输出电路，则应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处。安装时还应当注意，铁氧体元器件易破碎，应采取可靠的固定措施。不同的铁氧体抑制元器件，有不同的最佳抑制频率范围。通常磁导率越高，抑制的频率就越低。此外，铁氧体的体积越大，抑制效果越好。在体积一定时，长而细的形状比短而粗的抑制效果好，内径越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情况下，还存在铁氧体饱和的问题，抑制元器件横截面越大，越不易饱和，可承受的偏流越大。使用片式磁珠还是片式电感主要还取决于实际应用场合。在谐振电路中需要使用片式电感。而需要消除不需要的EMI噪声时，使用片式磁珠是最佳的选择。片式电感：射频（RF）和无线通信，信息技术设备，雷达检波器，汽车电子，蜂窝电话，寻呼机，音频设备，PDAs（个人数字助理），无线遥控系统及低压供电模块等。片式磁珠：时钟发生电路，模拟电路和数字电路之间的滤波，输入/输出内部连接器（如串口，并口，键盘，鼠标，长途电信，本地局域网），射频（RF）电路和易受干扰的逻辑设备之间，供电电路中滤除高频传导干扰，计算机，打印机，录像机（VCR），电视系统和手提电话中的EMI噪声抑制。变压器的种类很多，按铁芯、磁芯分，有空气芯变压器、磁芯变压器、可调磁芯变压器、铁芯变压器等；按工作频率分，有低频、中频、高频变压器。低频变压器按用途分，又可分为电源变压器、输入变压器、输出变压器、线间变压器及耦合变压器等。常用的变压器如图11所示。变压器在结构上的这两个线圈就是初级线圈和次级线圈，它们同在一个公共铁磁材料里。当交变电流通过初级线圈时，就会产生一个交变电压的感应磁场横切过次级线圈，这个感应电压能够引起外部电路的电流流动。利用这个特性，电路中常用各种变压器进行电压变换、电流变换、传递功率、阻抗匹配等。变压器的变压比n是指变压器次级电压与初级的比值，或次级线圈匝数与初级线圈匝数的比值。如果n＜1，这种变压器称为降压变压器；如果n＞1，这种变压器称为升压变压器。变压器的额定功率是指在规定频率和电压下，变压器能长期工作而不超过规定温升的输出功率。额定功率的单位用VA（伏安）、kVA（千伏安）、或W（瓦）、kW（千瓦）表示。变压器的温升主要是线圈的温升，因为温升会影响变压器的绝缘性能。温升是变压器通电工作发热后，温度上升到稳定值时比周围的环境温度升高的数值。变压器在有额定负载的情况下，输出功率与输入功率的比值，称为变压器的效率。通常输出功率在20W以下的变压器的效率为70%～80%，而输出功率在100W以上的变压器的效率可达到95%左右。空载电流是指当变压器的次级开路时，初级中仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。变压器的各绕组间、各绕组和铁芯之间并不是理想的绝缘，当外加电压时，总有漏电流存在，这是由于变压器存在绝缘电阻造成的，绝缘电阻越高则漏电流越小。变压器的绝缘电阻如果过低，很可能会使仪器和电子设备的机壳带电，工作不稳定，甚至对仪器、电子设备和无论是电源变压器、开关变压器还是隔离变压器，它们的高频特性直接影响到产品的电磁兼容传导骚扰特性和辐射骚扰特性，同时其磁漏的大小直接影响到产品的内部干扰特性。变压器线圈的绕制方式、磁芯材料的性质、磁芯的形状等直接影响到整机的电磁兼容性能。当一个产品的电磁骚扰问题采用其他方式不能奏效时，不妨采用几种不同形式的变压器试试，或许会有意想不到的收获。设计合理的变压器对抑制电磁骚扰是非常有效的。磁耦合元器件是交变信号传递的重要元器件，直接影响到产品向外辐射的能量大小、频率特性等。它对产品的电磁兼容同样是至关重要的。对任何一个产品，人们希望其对外发射的是有用信号，对无用信号则要尽量抑制在电磁兼容标准要求的范围内，这种信号的选择是通过磁耦合元器件的调谐来实行的。
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