抗emi磁性滤波器 原理·应用·展望.doc

1 前言 　　随着各种电子设备、电视网络、程控交换机、移动通信机及办公自动化的日益普及，电子系统中的电磁环境越来越复杂，电磁干扰（EMI）现象日益严重，并且成为影响系统正常工作的突出障碍。美国是世界上最先感受到电磁污染引起潜在问题的国家之一，为了减小、抑制和消除电磁干扰，美国联邦通讯委员会（FCC）在1980年代初就制定了强制实施的控制电磁干扰的极限以及相应的标准（MIL-STD-461B等）。近几年，我国也在逐步等同采用或等效采用美国这方面的标准，并制定了我国的国家标准（GJB151-86等），把电磁兼容问题也提到了议事日程上[1]。　　电磁干扰按其能量传播的方式可分为辐射干扰和传导干扰两种。对于辐射干扰，采用屏蔽技术来消除效果最好；而对于传导干扰，采用磁性滤波器件来消除、抑制则是最有效和最经济的方法。并且将抗EMI元器件安置到尽可能靠近干扰源的地方，还可有效减少辐射干扰的产生。　　抗EMI磁性器件按其抑制或吸收传导干扰的工作原理又可分为吸收式抗EMI滤波器和组合式抗EMI滤波器。本文即对这两类抗EMI滤波器件的工作原理、常见类型及适用场合作一阐述，并简要论述近年来抗EMI滤波器发展的热点及预测其发展的趋势。 2 吸收式抗EMI滤波器　　吸收式抗EMI滤波器在结构上相当于一个绕线或穿心的磁芯线圈，这类滤波器主要是利用磁性材料的阻抗频率特性来达到抑制EMI的目的。我们知道，当将一磁导率为的磁芯插入电感量为L0的线圈中（假设忽略线圈的损耗），则该线圈的复数阻抗Z可表示为：　式中，等效于电阻；等效于电抗；为角频率；、分别为磁芯磁导率的实部、虚部。　　在材料的截止频率以下，＞，阻抗主要由贡献，而当工作频率超过材料的截止频率以后，急剧下降，而下降到一定程度以后变化逐渐缓慢，远大于，此时阻抗主要由贡献。并且由于阻抗与角频率成正比，磁导率下降对阻抗的降低效果小于频率上升对阻抗的升高效果，因此随频率的提高，阻抗仍在不断升高，直到由于分布电容影响，构成了低阻抗的通道及材料磁导率虚部进一步下降，阻抗才达到一峰值后开始缓慢下降。总的来说，磁芯线圈在高频段时的阻抗远大于其在低频段的阻抗。磁芯线圈阻抗的频率特性如图1所示。这样，对于频率低于磁性材料截止频率的有用信号，磁芯线圈仅相当于一个低阻抗的电感器，信号很容易通过。而对于高频段的干扰，磁芯线圈的阻抗很大，成为一个高效的干扰衰减器。 　　在吸收式抗EMI滤波器中，磁芯线圈作为干扰信号的衰减器，一般都是跟信号源、负载串联使用的。其等效电路如图2所示。铁氧体元器件对EMI信号的衰减（插入损耗），按下式计算：　 其中ZA为信号源阻抗，ZF为铁氧体磁芯阻抗，ZB为负载阻抗。在需要衰减的EMI频段，铁氧体的阻抗ZF比信号源阻抗和负载阻抗ZB在数量级上高很多，因此，通常情况下，衰减量都很大，甚至可把衰减公式近似为　　　　一般来说，为了达到最佳的干扰滤除效果，希望吸收式抗EMI滤波器在干扰的中心频段具有最大的阻抗值，而滤波器阻抗的峰值频率点一般又与磁芯材料的截止频率成正比，即与磁芯材料的起始磁导率成反比。因此，为了满足滤除不同频段电磁干扰的要求，用于吸收式抗EMI滤波器的材料必须加以系列化。图3为Ferroxcube公司抗EMI滤波器系列材料的阻抗频率曲线[2]，可见，对于不同的抗EMI材料具有不同的阻抗峰值频率点，分别针对滤除不同频段的干扰。 　　吸收式抗EMI滤波器按其具体用途可分为小信号滤波器、中间(intermediate)滤波器和电源滤波器三大类。小信号滤波器主要用于吸收多股并行信号传输线上附加的干扰，如交换机数据联线、计算机主机-显示器联线、主机-驱动器联线干扰等等。此类滤波器一般制作成多孔平板状或扁平盒状，每条信号线相当于都通过了一个单匝的磁芯。对于不同的干扰频段，要求滤波器具有不同的阻抗峰值频率点，这可通过选择不同的材料来实现，而阻抗的大小则主要由磁芯的长度来控制。　　对于中间滤波器，其安置的位置颇有讲究。如果已知道某个元件是干扰产生的源，如晶体管或MOS管引起的过冲现象，可将滤波器做成引脚磁珠，直接安置在晶体管或MOS管的引脚上，以尽可能地防止干扰的传播。如果引起干扰的元件不易确定，但是干扰传输的途径能够明确，如高速数字时钟线，则可将滤波器制作成穿心磁珠或SMD磁珠，连接在干扰传输线上，达到抑制干扰的目的。为了进一步提高滤波能力，还可采取绕多匝线圈或添加旁路电容的方式来实现。如果只知道干扰由某块PCB板产生，则滤波器需安装在此PCB板与系统其它部分所连接的线路上，这也可采用穿心磁珠来实现，如果需要更大的阻抗，还可采用多孔磁珠，让线路按一定规则穿过多孔，直到满足阻抗要求为止[2]。此外，还有一类宽频带扼流圈也属于此类滤波器，一般为环形，让所有可能产生干扰的线路都穿过或