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          新一代開關(guān)電源EMI濾波器的走勢(shì)

          作者: 時(shí)間:2006-05-07 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          問(wèn)題的提出

          90年代以來(lái),隨著電子設(shè)備小型化和表面組裝技術(shù)的發(fā)展,電子元器件向小型化、片式化、復(fù)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(dǎo)體大規(guī)模集成造成的負(fù)面影響,特別是網(wǎng)絡(luò)化的迅速發(fā)展,直接導(dǎo)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(jì)表明:嚴(yán)重威脅電子、電氣設(shè)備安全可靠工作的起因中,88.5%是來(lái)自電源中的電壓瞬變和電磁脈沖。當(dāng)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(gè)不可回避的問(wèn)題是如何適應(yīng)電子設(shè)備小型化的發(fā)展需求。

          片式元件的發(fā)展近況和趨勢(shì)

          目前國(guó)際上直流系列片式電容發(fā)展迅速,但適應(yīng)電源濾波的功率磁性元件受到了能量存儲(chǔ)容量的限制。設(shè)電感L在瞬變電流i時(shí)所存儲(chǔ)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(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)度H為:

          H=0.4Ni / D (3)

          解方程求得所存儲(chǔ)能量W為:

          由于:μ=B / H (5)

          式中:B為磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度值

          (4)或(6)式都表明磁芯材料的體積A.D和初始磁導(dǎo)率μ決定了電感存儲(chǔ)能量的上限。換句話說(shuō),功率電路對(duì)能量存儲(chǔ)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(chǎng)強(qiáng)度下同一磁芯通過(guò)的瞬變電流愈大所允許的電感值愈小。

          片式電感的結(jié)構(gòu)有開式和閉式兩種,見(jiàn)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(huì)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?yàn)殚_式磁芯磁導(dǎo)率很低,因此在存儲(chǔ)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(zhǎng)×寬×高(約)為12×12×6mm,當(dāng)額定電流為10A時(shí),其電感值為2.1μH;而雙E閉式磁芯,在相同額定電流10A時(shí),其電感值為2.4μH(略大些),但體積長(zhǎng)×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(shí),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(dǎo)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(guó)家“九五”計(jì)劃和2010年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中新型元件列為電子工業(yè)發(fā)展重點(diǎn)之一,包括6個(gè)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(duì)新型片式元件需求300億只(1999年電子信息產(chǎn)品對(duì)電感器、變壓器、磁性器件需求165億只)。這就是中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)新型片式元件的市場(chǎng)需求。

          片式EMI濾波器的發(fā)展概況

          國(guó)際片式EMI濾波器目前以信號(hào)濾波器為主,可運(yùn)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(gè)品種。

          新一代EMI波波器的設(shè)想

          開關(guān)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(shè)計(jì)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(jié)合為一體,其中的PLY10系列分別有共模磁路和差模磁路,每個(gè)磁路有各自的鐵氧體磁芯,其最大安裝尺寸為L(zhǎng)×W×H=18×16×17.5mm,額定電流范圍為0.5~2.0A,對(duì)100VDC的耐壓產(chǎn)品可承受40~150W 功率,對(duì)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(guān)電源設(shè)備兼容。

          PLY系列的事例給大家一個(gè)啟示,開關(guān)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(jiǎn)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(guān)電源所產(chǎn)生的共、差模噪聲的。

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

          另一可供借鑒的方法是為專業(yè)廠商生產(chǎn)的系列,通過(guò)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(guó)Advanced Analog公司為AHE、ATO、ATW和AHF系列DC/DC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(guó)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(biāo)強(qiáng)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(hù)模塊LAM2,前者能有效地消除傳導(dǎo)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(guān)電源EMI濾波器的電路采用圖4所示的標(biāo)準(zhǔn)模式電路,它有利于發(fā)展成為標(biāo)準(zhǔn)模塊并最終集成。在實(shí)際運(yùn)用中如果一級(jí)濾波模塊抑制不夠,可以再串接第二級(jí)濾波模塊。

          在國(guó)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(shí)驗(yàn)樣品CX系列電路采用圖4標(biāo)準(zhǔn)模式,結(jié)構(gòu)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(yīng)電子設(shè)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(biāo)準(zhǔn)模塊電源的發(fā)展歷史一樣,新一代EMI濾波器也應(yīng)該向標(biāo)準(zhǔn)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(shí)。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。

          本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/233504.htm

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