新一代開關電源EMI濾波器的走勢

問題的提出

90年代以來，隨著電子設備小型化和表面組裝技術的發(fā)展，電子元器件向小型化、片式化、復合化、多功能和高性能化發(fā)展，各種表面組裝元件已逐漸成為電子元件的主流產(chǎn)品。

以上半導體大規(guī)模集成造成的負面影響，特別是網(wǎng)絡化的迅速發(fā)展，直接導致了抗電磁干擾能力的迅速下降。據(jù)IBM公司的常規(guī)觀察統(tǒng)計表明：嚴重威脅電子、電氣設備安全可靠工作的起因中，88.5％是來自電源中的電壓瞬變和電磁脈沖。當前EMI（電磁干擾）濾波器仍然是抑制電磁干擾的有效手段之一。因此，目前擺在傳統(tǒng)EMI濾波器面前的一個不可回避的問題是如何適應電子設備小型化的發(fā)展需求。

片式元件的發(fā)展近況和趨勢

目前國際上直流系列片式電容發(fā)展迅速，但適應電源濾波的功率磁性元件受到了能量存儲容量的限制。設電感Ｌ在瞬變電流ｉ時所存儲的能量為ｗ，則有下式

若電感采用環(huán)形磁芯，電感量為：

式中：μ初始磁導率；Ｎ匝數(shù)；Ａ磁芯截面積；Ｄ磁環(huán)平均直徑。

磁芯內(nèi)磁場強度Ｈ為：

H=0.4Ni / D (3)

解方程求得所存儲能量Ｗ為：

由于：μ=B / H (5)

式中：Ｂ為磁芯的磁感應強度值

（４）或（６）式都表明磁芯材料的體積Ａ.Ｄ和初始磁導率μ決定了電感存儲能量的上限。換句話說，功率轉(zhuǎn)換器電路對能量存儲的要求也就確定了功率磁性元件的最小尺寸。在同樣的磁場強度下同一磁芯通過的瞬變電流愈大所允許的電感值愈小。

片式電感的結構有開式和閉式兩種，見圖１。

圖中a）、b）、c）分別為環(huán)形磁芯、雙Ｅ形磁芯和罐形磁芯，它們的磁路是封閉的，所以是閉式磁芯（可減少EMI的產(chǎn)生）。d）為工字形磁芯，因磁路不封閉所以是開式磁芯，它可能會與其它敏感元件耦合產(chǎn)生不良影響，但可以承受更大的電流。這是因為開式磁芯磁導率很低，因此在存儲能量Ｗ相同的條件下，可承受更大的電流。例如日本W(wǎng)UMIDA公司開式磁芯的體積長×寬×高（約）為12×12×6ｍｍ，當額定電流為10A時，其電感值為2.1μH；而雙Ｅ閉式磁芯，在相同額定電流10A時，其電感值為2.4μH（略大些），但體積長×寬×高（約）為16.4×16.4×9.6，要較前者體積增大2.37倍（后者最大額定電流為20A時，電感值為１μH）。

為了降低高度（低造型）和增大載流容量，目前大電流片式電感繞組的導線由圓截面向扁平截面轉(zhuǎn)變（含印制板的電感）。上述12×12×6ｍｍ、10A、2.1μH電感就是采用約1.7×0.2ｍｍ扁銅條繞制的。

國家“九五”計劃和2010年遠景目標綱要中新型元件列為電子工業(yè)發(fā)展重點之一，包括6個門類的新型元器件中，表面貼裝元器件擺在首位。2000年電子信息產(chǎn)品對新型片式元件需求300億只（1999年電子信息產(chǎn)品對電感器、變壓器、磁性器件需求165億只）。這就是中國信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對新型片式元件的市場需求。

片式EMI濾波器的發(fā)展概況

國際片式EMI濾波器目前以信號濾波器為主，可運用于電源的EMI濾波器較少，如TDK公司的ACH3218、ACH4518系列，采用鐵氧體磁珠和片式電容組成T型濾波電路。其中ACH3218體積L×W×H＝3.2×1.8×2.5mm，最大額定電壓20VDC、最大額定電流1.5A，25dB插入損耗的頻率范圍由11MHz－55MHz到600MHz－700MHz共18個品種。

新一代EMI波波器的設想

開關電源產(chǎn)生的噪聲中，在低頻段差模噪聲分量占主要成份，在高頻段共模噪聲分量占主要成份，因此采用共模和差模扼流圈是必要的，但如何減少它們的體積是令設計者最頭痛的事，最近日本村田公司開發(fā)了PLY系列混合扼流圈，這種器件以一種十分巧妙的方式把共模和差模扼流圈緊湊地結合為一體，其中的PLY10系列分別有共模磁路和差模磁路，每個磁路有各自的鐵氧體磁芯，其最大安裝尺寸為L×W×H＝18×16×17.5mm，額定電流范圍為0.5～2.0A，對100VDC的耐壓產(chǎn)品可承受40～150W 功率，對200VDC耐壓產(chǎn)品可承受75～300W功率，這樣寬的使用范圍使PLY10系列器件可與大多數(shù)開關電源設備兼容。

PLY系列的事例給大家一個啟示，開關電源共、差模噪聲的有效抑制還得依靠專門的電感器件――共、差模扼流圈，由簡單的片式（電容、電感）元件所組成的EMI濾波器是難以勝任抑制開關電源所產(chǎn)生的共、差模噪聲的。

為此有效抑制開關電源噪聲的新一代EMI濾波器應該是由有效的共、差模扼流圈和若干電容組成的相關電路，為了減小體積，這些電感、電容元件應盡可能采用片式元件。

另一可供借鑒的方法是為電源模塊專業(yè)廠商生產(chǎn)的系列電源模塊，通過MIL-STD-461的CEO3或其它規(guī)范研制專用的配套EMI濾波器。如美國Advanced Analog公司為AHE、ATO、ATW和AHF系列DC/DC電源模塊配套了AFC461系列EMI濾波器，其額定電壓28～40VDC，額定電流4A，100kHz－50MHz插入損耗40dB，工作溫度-55～155°Ｃ，最小尺寸L×W×H＝53.85×28.45×9.65mm 。類似的還有美國的interpoint公司為MHE/MLP、MHL、MTO和MTW系列DC/DC電源模塊配套了FMH－461EMI濾波器，其插入損耗指標強調(diào)500kHz處最少衰減50dB，200kHz處最少衰減35dB。

VICOR公司也為其新一代電源模塊配置MICRO封裝的輸入濾波模塊FILTMOD，以及MICRO封裝的輸入保護模塊LAM2，前者能有效地消除傳導干擾噪聲，后者能有效地限制浪涌電流和尖峰干擾，如圖2和圖3所示。

建議開關電源EMI濾波器的電路采用圖4所示的標準模式電路，它有利于發(fā)展成為標準模塊并最終集成。在實際運用中如果一級濾波模塊抑制不夠，可以再串接第二級濾波模塊。

在國產(chǎn)產(chǎn)品中，北京中北創(chuàng)新科技發(fā)展有限公司研制的實驗樣品CX系列電路采用圖４標準模式，結構采用扼流圈，體積L×W×H＝15×15×9.5mm，額定電壓50VDC，額定電流0.5～2A。

展望

為了適應電子設備不斷小型發(fā)展的需要，以采用片式電容、電感為主的新一代EMI濾波器的出現(xiàn)和發(fā)展是歷史的必然。與標準模塊電源的發(fā)展歷史一樣，新一代EMI濾波器也應該向標準模式電路的方向發(fā)展。由于目前直流系列片式電容發(fā)展迅速，所以新一代直流系列EMI濾波器的發(fā)展有可能成為現(xiàn)實。遺憾的是交流片式電容發(fā)展，目前僅有村田公司的CHM2143、GHM2145和GHM2243系列，它們的交流耐壓性能比傳統(tǒng)的聚脂薄膜電容差。因此新一代交流系列EMI濾波器還有待于交流片式電容的深入開發(fā)和發(fā)展。