1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。EMI濾波電感設計-EMI濾波電感設計EMI濾波器正常工作的開關類電源（SMPS）會產生有害的高頻噪聲，它能影響連接到相同電源線上的電子設備像計算機、儀器和馬達控制。用一個EMI濾波器插入電源線和SMPS之間能消除這類干擾（圖1）。一個差模噪聲濾波器和一個共模噪聲濾波器能夠串聯或在許多情況下單獨使用共模噪聲濾波器。圖1EMI濾波器的插入一、共模電感設計在一個共模濾波器內，電感的每一個繞阻和電源輸入線中的任一根導線相串聯。（對于電源的輸入線來講）電感繞組的接法和相位是這樣的，第一個繞組產生的磁通會與第二個

2、繞組產生的磁通相削.于是，除了泄漏阻抗的小損耗和繞組的直流電阻以外，電感至電源輸入線的插入阻抗為另。由于磁通的阻礙，SMPS的輸入電流需要功率，因此將通過濾波器，濾波器應沒有任何明顯的損耗。共模噪聲的定義是出現在電源輸入線的一根或二根導線上的有害電流通過電感的地返回噪聲源的噪聲。此電流要視共模電感的任何一個或二個繞組的全部阻抗，因為它不能被返回的電流所抵消。共模噪聲電壓是電感繞組上的衰減，應從有害噪聲中保持電源輸入線的暢通。1.1、選擇電感材料開關電源正常工作頻率20KHz以上，而電源產生的有害噪聲比20KHz高，往往在100KHz50MHz之間。對于電感來講，大多數選擇適當和高效費比的鐵氧體

3、，因為在有害頻帶內能提供最高的阻抗。當看到公共參數如磁導率和損耗系數就去識別材料是困難的。圖2給出鐵氧體磁環J-42206-TC繞10匝后的阻抗ZS和頻率的關系曲線。圖2鐵氧體磁環的阻抗和頻率的關系在110MHz之間繞組到達最大阻抗，串聯感抗XS和串聯電阻RS（材料磁導率和損耗系數的函數）共同產生總阻抗Zt。圖3所示為圖2中鐵氧體材料的磁導率和損耗系數與頻率的函數關系。由于感抗引起的下降，導致磁導率在750KHz以上的下降；由于電阻取決高頻的源阻抗所以損耗系數隨頻率而增加。圖3鐵氧體磁環的磁導率、損耗系數和頻率的關系圖4給出三種不同材料的總阻抗和頻率的關系。J材料在超過120MHz范圍內具有高

4、的總阻抗，它最廣泛地應用于共模濾波器的扼流圈。在1MHz，W材料阻抗比J材料高20-50，當低頻噪聲是主要問題時經常應用J材料；K材料可用于2MHz以上，因為在此頻率范圍內它產生的阻抗比J材料高直至100。在2MHz以上或以下，對于濾波器所要求的規范，J或W是優先的。圖4三種不同材料的阻抗和頻率的關系1.2、磁芯的形狀對于共模噪聲濾波器環形磁芯是最普及的，他們不貴、泄漏磁通也低。環形磁芯必須用手繞制（或在獨特的環形繞線機上繞制）。正常情況要用一個非金屬的分隔板放置在兩個繞組之間，以及為了和PC板連接，這個繞制器件還需環氧化在印制板的頭部。具有附件的E形磁芯比環形磁芯貴，但組裝成一個整體只需較小

5、的代價。繞制E形磁芯的骨架相對便宜。為了分隔兩個繞組可購到有分隔板的骨架并可安裝在PC板上。E形磁芯有更多的泄漏電感，在共模濾波器中對于不同的濾波是有用的。E形磁芯為了增加泄漏電感可以豁開縫隙，以便吸收有害的共模和差模噪聲。1.3、磁芯的選擇下面給出環形磁芯的設計步驟，單層共模電感見圖5。為了盡量減小繞組電容和防止由于不對稱繞組引起的磁芯飽和，單層設計是經常應用的。步驟中假設兩個相反的繞組之間的最小自由空間為30度。圖5單層共模電感的結構對于共模電感所需的基本參數是電流（I）、阻抗（ZS）、和頻率（f）。電流決定導線的尺寸。一個保守的400A/cm2電流密度不會在導線上產生有效的熱量。而一個過

6、分的800A/cm2電流密度會引起導線發熱，這兩個等級可用選擇圖表表示。在所給頻率上，規定一個最小的電感阻抗是正常的。這個頻率通常足夠低并假設感抗XS能提供圖2所示的阻抗。隨后電感可計算為：(2)(1)用已知的電感和電流乘積LI基礎上的圖6和圖7能用于選擇磁芯的尺寸，這里L是電感(mH)和I是電流（A）。建立在電流密度（Cd）400或800A/cm2基礎上的導線尺寸（AWG）可用下式計算：(2)匝數可由磁芯的AL值決如下：（3）1.4、設計舉例在10KHz阻抗為100時,電流為3A，由式（1）計算得LS=1.59mH；用800A/cm2電流密度時,LI乘積為4.77，為了選擇材料可從圖7查得磁

7、芯尺寸。在此例，選擇W材料直至1MHz可以給出高的阻抗，見圖4。圖7給出磁芯材料為W-41809-TC。由表1可查得磁芯尺寸和AL值。用AL=12200mH/1000匝，式（3）給出N=12匝每邊。用800A/cm2時,式（2）給出AWG=21。表1環形磁芯尺寸及其AL值二、整流電感設計典型的穩壓器電路包含三個部分：晶體開關管、二極箝位管、和LC濾波器。一個不穩壓的直流電壓加到通常工作在150KHz頻率的晶體開關管。當開關處在ON狀態時，輸入電壓Ein加到LC濾波器，結果導致通過電感的電流增大；當開關處在OFF狀態時，用儲存在電感和電容內的過剩能量來保持輸出功率。通過調整ON狀態時的晶體開關管

8、的導通時間ton和用來自輸出端的反饋系統來獲得穩壓。結果穩定的直流輸出電壓可表示為：Eout=Eintonf(4)圖8典型的穩壓器電路2.1、組件選擇開關系統包含晶體管和來自穩壓器輸出的反饋。晶體管的選擇包含兩個因素：（1）電壓等級需大于最大的輸入電壓（2）為了保證有效地工作，截止頻率特性必須高于實際的開關頻率。反饋電路通常包括運放和比較器。對于二極箝位管的要求和晶體管的選擇相同。如果已知：（1）最大和最小的輸入電壓（2）要求的輸出（3）最大允許的紋波電壓（4）最大和最小的負載電流（5）想要的開關頻率，那幺就可獲得電感和電容的值。LC濾波器的設計就容易完成。首先晶體管的截止時間toff可計算為

9、：toff=（1-Eout/Einmax）/f(5)當Ein減至它的最小值fmin=(1-Eout/Einmax)/toff(6)用這些值，所需的電感和電容可以算得：通過電感所允許的紋波峰-峰電流（i）可由下式給出：i=2IOmin(7)電感可用下式計算：L=Eouttoff/i（8）對于i的計算值是有點任意，不過對于電感可以調整以獲得實際值。最小的電容可由下式給出：C=i/8fmineO（9）最后，電容最大的等效串聯電阻ESR是：ESRmax=eO/i（10）2.2、電感設計在高頻下鐵氧體E形和罐形磁芯能提供成本降低和低磁芯損耗的優點。對于開關穩壓器，F和P材料被推薦是因為他們的溫度和直流偏

10、置特性。為避免飽和，可采用增加鐵氧體型材氣隙的辦法使磁芯有效地使用。對于開關穩壓器的應用，這些磁芯的選擇步驟能簡化電感的設計。假設繞組系數50和導線載流容量為500園周面積（CircularMils）/安培，我們能決定最小的磁芯尺寸。設計應用的兩個僅有參數必須知道：電感需要用的直流偏置。直流電流。（1）計算產品的LI2這里：L=具有直流偏置的所需電感I=最大直流輸出電流I=IOmax+i(11)（2）將LI2值設置在鐵氧體磁芯的選擇圖表中（P.4.154.18）。跟蹤與第一根磁芯尺寸曲線相交的座標，在Y軸上可讀得最大額定電感AL，它表示最小的磁芯尺寸和最大的AL，在那一點飽和將被避免。（3）若

11、磁芯的AL較小于在座標上獲得的最大值，那幺對于電感來說，任何磁芯尺寸線只要與LI2座標相交就表示是一個可使用的磁芯。若可能，使用標準氣隙的判臼強扇模饈怯捎謁塹撓行浴廡謐晟嫌瞇橄弒硎荊詿聳植崮苷業健?nbsp;（4）需要的電感L、磁芯尺寸、和磁芯的額定電感（AL）是已知的，那幺可用下式計算線圈的匝數：(12)N=103L/AL(12)這里L的單位是mH(5)在P5.9上用500園周面積（CircularMils）/安培，從導線表可選擇導線的尺寸。(6）舉例根據以下需求選擇開關穩壓器的磁芯：EO=5VeO=0.5VIOmax=6AIOmin=1AEinmin=25VEinmax=35Vf=20KH

12、z用等式（2）、（3）計算晶體開關管的截止時間和最小開關頻率fmintoff=（1-5/35）/20,000=4.310-5Stmin=（1-5/25）/4.310-5=18,700Hz用等式（4）讓最大紋波電流i通過電感i=2（1）=2A用等式（5）計算LL=5（4.310-5）/2=0.107mH用等式（6）、（7）計算C和ESRmaxC=2/8(18700)(0.5)=26.7FESRmax=0.5/2=0.25產品的LI2LI2=(0.107)(8)2=6.9mJ由于有許多鐵氧體型材可以購到，所以可以有不同的選擇，若最大AL沒有被超過，那幺與任何磁芯尺寸相交的LI2值座標都能應用。以下

13、LI2值座標的選擇是：（a）45224EC52磁芯AL315（b）45015E磁芯AL250(c)44229實芯磁芯AL315（d）43622罐形磁芯AL400（e）43230PQ磁芯AL250給定AL，對要求電感所需的匝數AL匝數250213151940017用14導線和（7）磁芯氣隙的應用直流偏置數據（e和H的關系曲線）的有關曲線表示點的軌跡，這個軌跡相當于有效導磁率保持常數。由圖9可見以安匝數表示的最大允許的直流偏置，沒有使電感減小。超過這個范圍電感迅速下降。圖9有效磁導率與磁場強度的關系應用舉例：求解：多少安匝數能支持R-42213-A-315罐形磁芯不使電感值減小？已知：由圖查得最大

14、允許的H=25奧斯特NImax=0.8H=62.4安匝或用圖的頂部座標安匝/厘米H=20A-T/cmNImax=A-T/cm=203.12=62.4安匝其中：（13）Ae=有效磁芯截面積cm2、AL=電感/1000匝mH、i=初始導磁率、=氣隙長度cm（8）附鐵氧體磁芯直流偏置選擇圖表以上譯自（美）MAGNETICS公司鐵氧體磁芯手冊3.1、磁材簡介鐵鎳鉬（MolybdenumPermalloy）、鐵鎳50(Hi-Flux)和鐵硅鋁（Super-MSS）功率磁芯可用磁導線繞制成變壓器或電感。對所給能量儲存（電感和電流）或變換（電壓和電流）值所允許的能量消耗，磁芯材料和尺寸的選擇指導（在這里將會

15、給出）。能量消耗通常規定在最大上升溫度期間內的最低效率或最低Q值（在電流的一個周期內，Q值是2p乘以峰值能量儲存/能量消耗）當選擇磁芯材料時應考慮以下問題：（1）鐵鎳鉬（MPP）功率磁芯能提供最大Q值和最低磁芯損耗。就溫度和交流磁通而論是最穩定的磁芯。它有最寬廣地磁導率范圍和對于開關類電源的直流輸出電感是非常珍貴的材料。它可用于MHz頻率范圍。對于高精密的音頻調諧電路、高Q濾波器、負載線圈、RFI濾波器、和其他精密電感的應用是極好的選擇。（2）鐵鎳50（Hi-Flux）是一個50鎳50鐵間隔分布的功率磁芯，它有15000以上高斯的飽和磁通密度和重要的磁芯損耗要比鐵粉芯功率磁芯更低。對于開關穩壓

16、電源、在線噪聲濾波器和反激變壓器的應用，這些磁芯是理想的。和它氏值淖薌壑狄謊庇糜詬咧繃魘保判凈鼓芴峁桓黽跣嘰緄牡綹小?nbsp;（3）鐵硅鋁（Super-MSS）是一個改進的鋁硅鐵粉，它被Arnold技術獨創性地發展了。由于提供非常低的損耗所以計劃去替代鐵粉芯，以及有比MPP更高的儲存容量。在開關類電源中的能量儲存和濾波電感的應用鐵硅鋁磁芯是個極好的選擇。在所用的功率頻率上，鐵硅鋁的低損耗特性能盡量減少溫度的上升，它低于類似尺寸的鐵粉芯功率磁芯。與類似磁導率和尺寸的鐵粉芯功率磁芯相比硅鋁的直流偏置特性也極好。為了參考，解釋某些基本電磁術語和定義用于設計磁功率磁芯的關系，隨后是對于變壓器和電感器

17、設計必不可少的材料特性，采用圖形顯示它的典型值。對于鐵鎳鉬（MPP）功率磁芯在手冊的最后部分包含具體的磁芯尺寸和Q值數據。3.2、測量單位由于歷史的原因，在此手冊中采用了CGS制單位，國際制（SI）和CGS制之間的轉換可簡化于下表2：表2單位轉換表在CGS制自由空間磁導率的幅值為1且無量綱。在SI制自由空間磁導率的幅值為410-7亨/米3.3、電感對于每一個磁芯電感（L）可用所列的電感系數（AL）計算：(14)AL：對1000匝的電感系數mHN：匝數所以：這里這里L是nH電感也可由相對磁導率確定，磁芯的有效參數見圖10:(15)Ae:有效磁芯面積cm2:有效磁路長度cm:相對磁導率（無量綱）對

18、于環形功率磁芯，有效面積和磁芯截面積相同。根據定義和安培定理，有效磁路長度是線圈的安匝數（NI）和從外徑到外徑穿過磁芯面積的平均磁場強度之比。有效磁路長度可用安培定理和平均磁場強度給出的公式計算：(16)O.D.：磁芯外徑I.D.：磁芯內徑電感系數是用單層密繞線圈測量的。磁通密度和測試頻率保持與實際一樣低，通常低于40高斯和10KHz或更低。對于各種磁導率和材料，能用正常磁導率對磁通密度關系和典型磁導率對頻率關系的圖形來解釋低電平測試的條件。3.4、磁導率對于每一個磁芯尺寸的電感系數是建立在相對磁導率的增量上的。在沒有直流偏置和低磁通密度時，正常磁導率和增量磁導率是一樣的。增量磁導率隨直流偏置

19、一起減小的情況以及“增量磁導率對直流偏置”的曲線如圖11所示。由“增量磁導率對直流偏置”曲線看到正常磁導率如同峰值磁導率B。許多設計過程包括選擇峰值工作磁通密度去幫助決定磁芯的尺寸。磁材的飽和磁通密度限制了峰值工作磁通密度或被磁材的損耗所限制。在選擇磁材、工作磁通密度和決定磁芯的尺寸之后，法拉第定理（下面討論）用于計算匝數N。最后選擇磁導率以滿足電感的需要。L=電感nH=有效磁路長度cmAe=有效磁芯面積cm2圖11正常和增量磁導率寬范值的磁導率經常能滿足不同的電感需要。安培定理（也在下面討論）所給的峰值磁化強度H，是建立在匝數、峰值磁化電流（電感總電流和變壓器原方的空載電流）和磁芯磁路長度的

20、基礎上的。如圖11見到那樣，在設計過程開始選擇磁導率時，要設置與峰值磁通密度值相應的直流磁磁化強度H。對于鐵鎳鉬（MPP），對于所給的磁磁化強度H，下面圖12的選擇曲線將給出產生最大電感的磁導率。圖12磁導率選擇曲線圖13典型鐵鎳鉬磁芯的增量磁導率和直流偏置曲線3.5、磁通密度和法拉第定理磁通密度（B）的水平會影響磁芯損耗和磁導率。除非另有提示，手冊中的數據是對正弦波和最大（峰值）磁通密度的。可用法拉第定理表示：(17)Bmax:最大（峰值）磁通密度(高斯)ERMS:繞組端正弦電壓的均方根值（Vrms）N:匝數Ae:磁芯有效矩形截面積（cm）f:正弦電壓頻率有效面積被認為是磁芯的全部截面積，見

21、圖14。但被磁滲透所占有的面積小于有效面積，是由于磁導率的減小而減小的。對于不同的磁導率，手冊數據有效包括了來自更小的磁滲透面積。除此之外，Bmax是在磁芯截面積上的平均最大磁通密度。這個磁通密度是朝內徑方向產生的，并朝外徑方向減小見安培定理，在下面將會描述。3.6、磁場強度和安培定理安培定理是表示磁場強度（H）和電流、匝數、和磁路長度的關系：(18)H：磁場強度（奧斯特）N：匝數I：電流（安培）L:磁路長度(cm)按安培定理，磁場強度朝內徑方向更強（在這里最短）。有效磁路長度提供了穿過磁芯截面積的磁場強度的平均值：(19)Haverage：從內徑到外徑穿過磁芯的平均磁場強度：同樣單獨列于磁芯

22、規格的有效磁路長度（cm）N：匝數I：電流（安培）在此手冊中均使用平均磁場強度，除非另有提示。磁場強度可用正常的磁化曲線估算磁通密度。見有關磁導率分布。被定義的相對磁導率為：(20)：相對磁導率B:磁通密度(高斯)H:磁場強度（奧斯特）對于平均繞組的直流電阻可由下式計算：(21)：匝數的平均長度N：匝數r:導線電阻（歐姆/1000英尺）見導線表。除繞組的正常直流電阻外，由于交流電流的集膚效應繞組電阻存在一個增量變化，可被近似計算：(22)(23)d=導線直徑（英）f=頻率（Hz）=工作溫度3.7、繞制技術磁芯繞阻考慮盡量減小分布電容是重要的。環形磁芯繞阻可考慮有一個與電感并聯的有效電容。從匝到

23、匝、層到層以及從部分繞阻到磁芯的電容累加結果（在Q上的電容效應和合成的電感效應將在鉬坡莫合金的Q曲線上討論）。下面圖15的圖形對評價自諧振頻率是有用的。通過選擇繞制技術使匝間電壓最小，以減小分布電容。可以得到不同的繞制技術。分配繞制的段數，如2、4或更多，或用疊繞線圈，可以有效地減小電容。在任何情況，繞阻及其內部連接技術應小心避免放置第一匝和最后匝時相互靠近，如同匝到匝之間取得最高的電勢，如此有助于大多數的有效電容。絕緣繞阻內的濕度含量、密封罐的絕緣常數和密封材料都會增加有效的分布電容。圖15電感電容的諧振曲線圖精確繞制的磁芯具有時間和再現溫度特性的穩定性必須用溫度循環的辦法來緩和繞組的張力。

24、繞制磁芯必須從室溫至125循環，為了達到再現的結果，多次重復循環是需要的。在最后一次循環時需包括一個比在工作條件下容易受到溫度影響的繞制磁芯更低的溫度。這個循環將不僅減輕張力，也消除現存的濕度。最后電感的調整需在溫度循環處理完成之后進行。繞制磁芯需保持干燥直至他們被浸漬、裝入罐內或密封。罐裝和密封的組合需小心選擇，例如隨著老化或溫度變化有些可能發生收縮，這樣會影響穩定性。在繞制磁芯上的緩沖材料能將影響減到最小。3.8、音頻調整電路的應用對于電感，Q值計算公式計算阻抗和有效電阻的比值并指出它的品質。對于電的波形濾波器，增大的Q值能提供陡的截止、更高的衰減和更好的限定諧振。影響Q值的是電感繞阻的分

25、布電容。忽略由于分布電容引起的自諧振效應，當設計電感時Q值能用下式計算：(24)Q=品質因數L=電感H=2fHzRdc=直流繞阻電阻Rac=磁芯損耗電阻Rcd=繞阻絕緣電阻在此手冊的Q值曲線不是作為保證最小值設立的，而是在理想條件下，他們表示什么是可能達到的。理論上他們被導出并用不同的磁芯尺寸和電感加以檢驗，這些是在確信合理并與無數真實對應的導線、絕緣和繞阻的磁芯尺寸和電感檢驗的。用戶獲得等效結果的能力部分依據他對復制假設條件的能力。這些假設條件是：（1）“全繞制磁芯”的定義是一個最小繞阻內徑或繞制磁芯一半之后剩下的剩余孔。（2）剩下的有效繞阻面積是3/4用于窗口的面積。它假定空間的70填滿銅導線包括加強合成膜絕緣材料。（3）全繞制磁芯直流電阻是按匝數的平方變化，在相同的方式中和合成電感按匝數的平方變化一樣。因此每一個磁芯有建立在上述“全繞制磁芯”定義基礎上的計算/mH表。這個電阻確定Q值曲線和假定電感阻抗的低頻部分的正向斜率。（4）三個因數影響電感的高頻性能：多數磁芯材料的主要損耗是造成最大Q值頻率以上頻率的低電感曲線的負向斜率。這個計算見下節Legg,s等式。第二個因數由絕緣損耗引起。絕緣損耗電阻在高頻是有效的，下式能計算：(25