基于不同磁芯材料宽频带EMI方舱电源滤波器的设计研究_新闻_

[摘要]通过对不同磁芯材料的磁饱和特性、温度特性、宽频带磁特性、分布参数等参数进行研究，确定滤波器最佳电感组合设计方案，采用屏蔽/滤波一体化结构及屏蔽隔腔式结构，合理布置滤波器内各器件的顺序，实现宽频带EMI方舱电源滤波器设计。

[关键词]磁芯材料；电感组合设计；屏蔽/滤波一体化结构

中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）15-0012-01

1. 背景

近年来，作为电子装备机动型载体的屏蔽方舱，广泛的应用于航空、航天、舰船以及地面的电子系统。这些系统的电磁环境频带非常宽，场强也很大。为保证屏蔽方舱在这样复杂的电磁环境中达到所规定的屏蔽效能，消除由电源线引入的电磁干扰，则必须研制插入损耗与屏蔽方舱屏蔽效能指标相当的电源滤波器。目前，国内滤波器生产厂家通常通过在滤波电路中加穿心电容来实现滤波器高频干扰的抑制，由于国内穿心电容生产水平比较落后，不能设计出高耐压、较大电流的穿心电容。在耐电压试验时不能满足《GJB 6109-2007 军用方舱通用规范》中安全性的要求，尤其是装有滤波器的交流回路。因此，通过其它设计方法来实现滤波器整个频段内高插入损耗的要求，同时满足国军标《GJB 6109-2007 军用方舱通用规范》中安全性的要求是非常必要的。

2. EMI滤波器及插入损耗定义

本文研究的EMI滤波器是无源网络，是防止外界的干扰噪声通过电源线或信号线传导干扰电子设备的有效工具；由于滤波器内部电路的对称性，所以同时也能有效防止电子设备内部产生的干扰噪声通过线上传导污染外界环境。

EMI滤波器对干扰噪声的抑制能力用插入损耗IL（Insertion Loss）来衡量。插入损耗定义为：没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率P1和接入滤波器后，从噪声源传输到负载的功率P2之比，用dB（分贝）表示。

插入损耗表示为：

根据功率与负载电压（电流）及负载阻抗的关系变换，常用负载端电压（电流）的比值来表示，即：

3. 滤波器电感的选用

设计EMI滤波器的电感常用的磁芯有两类，一类是铁粉芯，另一类是铁氧体芯。铁粉芯的磁导率较低，因此用它作为磁芯绕制的电感电感量较小。但是铁粉芯的最大优点是不容易饱和，一般作为差模电感的磁芯使用。

铁氧体磁芯分为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两种，锰锌铁氧体的磁导率较高，导电性较好，适合于低频的场合，镍锌铁氧体的磁导率较低，电阻较大，适合与频率较高的场合。铁氧体一般作为共模电感的磁芯。

电感的阻抗由两部分组成，一部分是电阻成份，另一部分是感抗部分，即：Z= R + jWL，电阻成份来自于绕制电感的导线的电阻和磁芯的损耗。作为电磁干扰抑制用的电感，电阻是将干扰能量转变为热能消耗掉，而感抗是将干扰能量反射回源。专门用于干扰抑制的铁氧体与普通的铁氧体有所不同，干扰抑制铁氧体具有很大的损耗，电感的阻抗虽然在形式上是随着频率的升高而增加，但是在不同频率范围内，其性质是完全不同的。低频段：磁芯的磁导率较高，电感的电感量大，电感的电阻成份较小，阻抗以感抗为主，这是一个低损耗、高Q特性的电感。高频段：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，电阻成份增加，阻抗变成以电阻成份为主。因此当高频信号通过铁氧体时，电磁能量以热的形式耗散掉。

从上面的分析可知，用干扰抑制铁氧体做磁芯制作的电感在不同频率下的等效电路是不同的，低频时是一个电感，高频时是一个电阻。

4. 常用的低频共模电感磁芯

常用的低频共模电感磁芯有锰锌铁氧体和纳米晶磁芯两种。10kHz左右的干扰信号，最好选用纳米晶磁芯材料。当在频段100kHz～1MHz附近，铁氧体材料在这个频段对干扰信号的吸收较好，所以设计共模电感时选用的电感材料一定要根据电路要求的抑制频段范围来选择电感材料，这是非常重要的。同时并不是电感量越高越好，而应考虑它的电参数，更不能用增加线圈匝数来增加电感。因为这样会增加高频寄生电容。

5. 基于不同磁芯材料宽频带EMI方舱电源滤波器设计思路

通过对不同磁芯材料的磁饱和特性、温度特性、宽频带磁特性、分布参数等参数进行研究，确定滤波器最佳电感组合设计方案；低频段采用集总参数的LC滤波器（采用切比雪夫低通滤波电路）；高频段采用分布参数滤波器（采用同轴高低阻抗滤波电路）；采用屏蔽/滤波一体化结构及屏蔽隔腔式结构，通过理论仿真，确定屏蔽结构的隔离效能，优化屏蔽设计；依据定量设计结果，合理布置滤波器内各器件的顺序、组合、位置、取向，严格控制器件装配所引起的分布参数，通过屏蔽隔舱结构有效避免各器件间的耦合、输入/输出端口的耦合。

方舱EMI电源滤波器包括低频反射型LC滤波电路和同轴式分布参数电路构成的吸收式滤波电路，低频反射型LC滤波电路和同轴式分布参数电路构成的吸收式滤波电路串联连接形成L-L/通道和N-N/通道。低频反射型LC滤波电路由一个共模电感Lc1和两个共模电感Lc2以及共模电容Cy1构成，共模电感L1是由锰锌磁性材料绕制的单层电感，共模电感Lc2由非晶磁芯材料绕制的大电感对于低频有很好的抑制作用；同轴式分布参数电路构成的吸收式滤波电路由镍锌材料穿心绕制而成；结构上利用屏蔽隔舱及舱壁连接波导管形成屏蔽反射腔体；共模电容Cy1、Cy2与L1和L2组成L型滤波电路及T型滤波电路。

6. 实际模型滤波器参数

按照上面所述滤波器设计思路设计滤波器模型参数如下：

共模电感LC1：锰锌磁芯绕制电感量750μH；

共模电感LC2：非晶磁芯绕制电感量72mH；

共模电感LC3：镍锌磁环穿心绕制；

共模电容CY1： 2.2nF；

共模电容CY2： 1.0nF。

对滤波器模型进行插入损耗测试，测试结果如表1。

7. 结束语

基于不同磁芯材料宽频带EMI方舱电源滤波器设计方法设计的滤波器漏电流小、耐压等级高，且可满足《GJB 6109-2007 军用方舱通用规范》中对于基型舱的屏效要求，并可推广用于其它电子设施对屏蔽效能高的场合。

参考文献

[1] GJB 6109-2007 军用方舱通用规范.