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ω為角頻率：ω=2πf
作為器件磁芯的阻抗，
z=Kωμ"+ jKωμ’
式中，k為系數(shù)，與磁芯尺寸、繞線匝數(shù)、形狀有關(guān)。
R與X當(dāng)然亦部是頻率的函數(shù)，隨著頻率增高而迅速變大。鐵氧體磁心作為抗EM1元件使用時(shí)，因工作信號(hào)頻率與EMI頻率相距甚遠(yuǎn)，低頻端阻抗小，不影響工作信號(hào)通過，而EMI信號(hào)處在高頻段，鐵氧體磁心此時(shí)呈高阻抗，其中電抗部分x可儲(chǔ)存EM1信號(hào)的能量，通過旁路電容將其釋放掉，抑制該處的EMI信號(hào)，但不能完全消除或吸收，仍可能對(duì)電路工作形成干擾；電阻部分R則將EMI信號(hào)的能量變成熱能，消耗散發(fā)掉。從而起到抑制、消除EM1的功能。
2.2 鐵氧體磁心的插人損耗
鐵氧體磁心作為抑制EMI元件應(yīng)用時(shí)，都是和信號(hào)系統(tǒng)、負(fù)載串聯(lián)使用，等效電路如圖1所示。圖中Z為鐵氧體磁心的阻抗。ZS和ZL分別為源阻抗和負(fù)載阻抗。使用鐵氧體元件后，EMI信號(hào)衰減（即插入損耗）可按下式計(jì)算：
IL=20LOg(ZS+ZL+Z)/(Zs+Z)db
2.3 鐵氧體磁心的阻抗頻率特性
眾所周知，鐵氧體磁心的材料成分，制造工藝不同，其磁性能就不同，因此它們的阻抗頻譜特性也不同。將四種磁芯的阻抗頻譜示于圖2(a)、(b)。阻抗頻譜系用HP4191A阻抗分析儀進(jìn)行測(cè)試的。由圖可見，四種磁芯的R、X都隨頻率的增高而增大，呈現(xiàn)出高阻抗的特性，但它們的高阻抗特性所處的頻段各個(gè)相同，x=R的諧振頻率點(diǎn)f0也各不相同。若以f0作為抗EMI鐵氧體磁心阻抗頻譜特性的頻率表征值，再將它們?cè)?00kHz下測(cè)得的μi值相對(duì)應(yīng)，結(jié)果如表1所示。
表 1  四種鐵氧體磁心的μi與f0
鐵氧體磁心編號(hào) μi（100kHz） f0（X=R時(shí)）/MHz
1 3025 1.2
2 2050 2.8
3 517 21.5
4 143 66.5

2.4 鐵氧體磁環(huán)尺寸與阻抗的關(guān)系
鐵氧體磁環(huán)的阻抗值與其體積有關(guān)，通常體積大者阻抗高。為了適合各種場(chǎng)合的使用，不僅開發(fā)了多種適用的鐵氧體材料，而且開發(fā)了多種形狀的磁芯，同一種形狀，也有多種尺寸，規(guī)格繁多。將其一例同種材料，相同內(nèi)、外徑，磁芯長(zhǎng)度與阻抗的關(guān)系示于圖3。
2.5 抗EMI磁環(huán)在計(jì)算機(jī)上或照明電器上的應(yīng)用效果
計(jì)算機(jī)上或照明電器上出現(xiàn)的電磁干擾有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，其來源既有機(jī)外來的也有機(jī)器本身各部分電路產(chǎn)生的，欲抑制或消除這些干擾以達(dá)到相應(yīng)類EMC標(biāo)準(zhǔn)要求，就要針對(duì)性地采取各種措施才能收到成效。為此人們從元器件、印制電路基板、電路構(gòu)成、機(jī)殼屏蔽結(jié)構(gòu)以及各種導(dǎo)電、絕緣、吸收材料多方位地進(jìn)行深入開發(fā)研究，已取得顯著效果。鐵氧體磁心則主要在抑制各部位信號(hào)傳輸線路的電磁干擾方面發(fā)揮重要作用，當(dāng)然同時(shí)起到降低EMI通過傳輸線向空間發(fā)射輻射干擾的作用。
將具有No3材料阻抗特性的磁桶Φ18mm×Φ10mm ×12mm夾合形（帶有強(qiáng)塑外殼）磁心應(yīng)用于計(jì)算機(jī)信號(hào)電纜連接線上，在EMC測(cè)試系統(tǒng)對(duì)比測(cè)試其EMI電平的頻譜特性，結(jié)果見圖4和圖5。圖4為未加鐵氧體磁心的曲線，圖5是加了鐵氧體磁心的曲線。由圖5可見，在圖4 中15MHz-20MHz附近出現(xiàn)的超出標(biāo)準(zhǔn)的EMI電平明顯受到抑制，衰減量為5-10dB。這樣，該臺(tái)計(jì)算機(jī)順利達(dá)到了EMC標(biāo)準(zhǔn)要求。
3 鐵氧體材料與EMI濾波器的選擇
3.1 鐵氧體材料選擇
軍用計(jì)算機(jī)和通信領(lǐng)域早在1980年代就很重視抗EMI問題，并付于實(shí)施。1990年代世界各大鐵氧體磁心生產(chǎn)廠家就開始開發(fā)建立高阻抗系列材料。但在燈用電器上一直不重視，自2003年起國家強(qiáng)制執(zhí)行3C認(rèn)證開始，各企業(yè)才真實(shí)地作這方面的工作。材料的選擇是個(gè)大問題，我在1997年的文章中提供了這方面的數(shù)據(jù)和方法。見表2：
表 2  軟磁材料與其抗EMI頻段
 65 61 64 43 77 72 75
μi 100 125 250 850 2000 2500 5000
μmax 370 450 375 3000 6000 4000 8000
B10/Gs 2150 2350 2200 2750 4600 4000 3900
Tc/℃ 400 350 210 130 200 160 160
ρ/Ωcm 1*108 1*108 1*108 1*105 1*102 1*102 5*102
Hc/Oe 2.35 1.60 1.40 0.30 0.22 0.18 0.16
抑制頻段/MHz >200 >200 >200 40-200 40 <40 <40

由表2可知，磁導(dǎo)率高的材料抑制頻率低。但在小于40MHz頻率范圍內(nèi)又如何選擇呢？
Snoek先生1948年給出了截止頻率的公式fc(μ-1)=4/3γM，γ為自旋磁矩比率，1980年Watson先生經(jīng)過大量軟磁鐵氧體頻譜曲線的計(jì)算，拓展了截止頻率的公式fcμi=3×109Hz。根據(jù)此公式我們可以得到表3數(shù)據(jù)。
表 3  軟磁鐵氧體材料初始磁導(dǎo)率與截止頻率的關(guān)系
μi 2000 7500 10000 12000 15000
fc (kHz) 1500 400 300 250 200

軟磁鐵氧體材料的截止頻率點(diǎn)就是材料的吸波點(diǎn)，在這點(diǎn)軟磁鐵氧體材料由感抗特性轉(zhuǎn)為阻抗特性。
3.2 EMI濾波器的設(shè)計(jì)與選擇
EMI濾波器依照其抑制或吸收傳導(dǎo)干擾的工作原理不同之處，可以分為吸收式EMI濾波器以及組合式EMI濾波器2種，分別概述如下：
吸收式EMI濾波器
吸收式抗EMI濾波器在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于一個(gè)繞線或穿心的磁心線圈，這類濾波器主要是利用磁性材料的阻抗頻率特性來達(dá)到抑制EMI的目的，由于磁心線圈在高頻段時(shí)的阻抗遠(yuǎn)大于其在低頻段的阻抗，為了達(dá)到最佳的干擾濾除效果，吸收式抗EMI濾波器在干擾的中心頻段具有最大的阻抗值，而濾波器阻抗的峰值頻率點(diǎn)一般來說會(huì)與磁性材料的截止頻率成正比，即與磁性材料的起始磁導(dǎo)率成反比。因此，為了滿足濾除不同頻段電磁干擾的要求，用于吸收式抗EMI濾波器的材料必須加以系列化。對(duì)于不同的抗EMI材料具有不同的阻抗峰值頻率點(diǎn)，分別針對(duì)濾除不同頻段的干擾。
吸收式抗EMI濾波器按其具體用途可分為小訊號(hào)濾波器、中間(intermediate)濾波器和電源濾波器三大類。
(1)小訊號(hào)濾波器主要用于吸收多股并行訊號(hào)傳輸在線附加的干擾，如交換機(jī)數(shù)據(jù)聯(lián)機(jī)、計(jì)算機(jī)主機(jī)與監(jiān)視器之間的纜線、主機(jī)與磁盤驅(qū)動(dòng)器排線干擾等等。此類濾波器一般制作成多孔平板狀或扁平盒狀，每條訊號(hào)線相當(dāng)于都通過了1個(gè)單匝的磁心。對(duì)于不同的干擾頻段，要求濾波器具有不同的阻抗峰值頻率點(diǎn)，這可通過選擇不同的材料來實(shí)現(xiàn)，而阻抗的大小則主要由磁心的長(zhǎng)度來控制。
(2)中間濾波器的安置必需要先得知電路上何種組件為干擾源，如晶體管或者是MOSFET所引起的過沖現(xiàn)象時(shí)，便可將濾波器直接安置于該干擾組件的接腳上。如果干擾源不易確定，但是干擾傳輸路徑明確，此時(shí)便可將濾波器設(shè)置于該特定電路上。扼流線圈也是屬于此種濾波器，一般為環(huán)形外觀，可讓所有可能產(chǎn)生干擾的線路都穿過或環(huán)繞在磁心上。扼流線圈的優(yōu)點(diǎn)是具有極寬的頻帶及阻抗，但是要配置扼流線圈，就必需要注意各線路之間的絕緣以及電容數(shù)量。
(3)共模扼流線圈。在電源濾波組件方面，由于其線路上通過的電流較大，所以要注意磁心的負(fù)載問題。此類濾波器包含了交換式電源中應(yīng)用的共模扼流線圈、電源線路扼流線圈等。對(duì)于電源線路上專門的差模扼流圈，由于承受的偏置電流大，目前最理想的材料是選擇復(fù)合磁粉芯，它是將金屬軟性磁粉經(jīng)絕緣包裹壓制回火而成，不但材料的抗飽和強(qiáng)度增大，而且磁心的電阻率比起單純的金屬軟磁材料增大了幾數(shù)倍，因此可以應(yīng)用在較高的頻段內(nèi)。雖然磁粉芯的起始磁導(dǎo)率不是很高，但是可透過增加匝數(shù)的方式來獲得高阻抗能力。共模扼流圈通常繞在高導(dǎo)磁率鐵氧體芯上，其通常電感值為15mH~20mH。
組合式EMI濾波器
組合式抗EMI濾波器又稱為反射式濾波器或復(fù)合LC型濾波器，根據(jù)在交流狀態(tài)下電容的通高頻阻低頻、電感的通低頻阻高頻的特性，將電感和電容組合連接成電路，使其具有一定的濾波功能。而根據(jù)濾波程度的要求不同，選用的LC組合及對(duì)電感和電容值的要求也不同。
由于組合式濾波器容易在高頻率時(shí)受到電感、電容的參數(shù)影響，有可能會(huì)導(dǎo)致諧振現(xiàn)象，使濾波器的濾波性能大幅下降。因此組合式EMI濾波器一般只適用于抑制頻率相對(duì)較低的干擾。不過因?yàn)槠錇V波效果可以由調(diào)整電感電容值參數(shù)來改變，只要調(diào)整得宜，組合式EMI濾波能夠產(chǎn)生更佳的濾波效果，且頻段變化也將更靈活。一般來說，在特定的應(yīng)用中，吸收式EMI濾波器與與組合式EMI濾波器也能夠串聯(lián)搭配使用。
EMI濾波器的設(shè)計(jì)方式
EMI噪訊包含共模(CM)噪訊和差模(DM)噪訊兩種。共模噪訊存在于所有交流相線和共模接地之間，其產(chǎn)生來源被認(rèn)為是二電氣回路之間絕緣泄漏電流以及電磁場(chǎng)耦合等；差模噪訊存在于交流相線之間，產(chǎn)生來源是電流脈沖，交換組件的響鈴電流以及二極管的反向恢復(fù)特性。這二種模式的傳導(dǎo)噪訊來源不同，傳導(dǎo)途徑也不同，因而共模濾波器和差模濾波器應(yīng)當(dāng)分別設(shè)計(jì)。
在一般常見的交換式電源中，由于主要的EMI干擾源來多自于功率半導(dǎo)體組件的切換動(dòng)作，因此產(chǎn)生的電磁發(fā)射EME (Electromagnetic Emission)通常是寬帶的噪訊，其頻率范圍從交換工作頻率到幾MHz。所以，傳導(dǎo)型電磁環(huán)境(EME)的測(cè)量頻率范圍0.15MHz~30MHz，藉以符合國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。設(shè)計(jì)EMI濾波器，就是要對(duì)交換頻率及其高次諧波的噪訊給予足夠的衰減。基于上述標(biāo)準(zhǔn)，通常情況下只要考慮將頻率高于 150kHz的EME衰減至合理范圍內(nèi)即可。
一般應(yīng)用于數(shù)字處理領(lǐng)域的低通濾波器同樣適用于電子電力裝置中，換言之，EMI濾波器的使用主要是為了滿足幾個(gè)需求，這些需求包括了規(guī)定要求的阻帶頻率以及阻帶衰減、降低對(duì)電源線路的的頻率衰減、低成本以及符合一般低通濾波器的模型。EMI濾波器通常置于交換式電源與電網(wǎng)相連的前端，是由串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組成的低通濾波器。
EMI濾波器的主要技術(shù)參數(shù)有：額定電壓、額定電流、漏電流、測(cè)試電壓、絕緣電阻、直流電阻、使用溫度范圍、工作溫升Tr、插入損耗Adb、外形尺寸、重量等。上述參數(shù)中最重要的是插入損耗（亦稱插入衰減），它是評(píng)價(jià)一款電磁干擾濾波器性能優(yōu)劣的主要指針。
EMI 濾波器之設(shè)計(jì)，首先必須獲得濾波器所需提供的噪聲衰減量，此可利用各種噪聲分離器分別量測(cè)出待測(cè)物在未加任何濾波器組件下之共模和差模原始噪聲。接著利用上述所得結(jié)果，計(jì)算出所需的濾波器組件值，然后將整個(gè)設(shè)計(jì)好的濾波器加在待測(cè)物電源輸入的最前端，并量測(cè)檢查此時(shí)的噪聲是否符合規(guī)范。以下就濾波器設(shè)計(jì)之步驟作介紹：
1) 量測(cè)原始共模和差模噪訊：噪聲由電源傳輸阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)取出以后，經(jīng)過噪聲分離器(Noise separator)可得到想要的噪聲值，便可以頻譜分析儀(Spectrum analyzer)來進(jìn)行量測(cè)。
2) 計(jì)算衰減量：當(dāng)取得共?；虿钅Ｔ胗嵙恐?，便要計(jì)算相關(guān)的噪訊衰減量，考慮到共模噪訊與差模噪訊，被衰減至規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，有可能發(fā)生相位相同或相位相差而使得火線和中性線之總電壓噪聲大小超過規(guī)范的情況。為了避免這種情形發(fā)生，在計(jì)算衰減量時(shí)可先將標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定于比規(guī)范限制小6dB之處，亦即使噪聲抑制之要求更為嚴(yán)格，以避免濾波后噪聲大小仍舊會(huì)超過規(guī)范限制。
3) 計(jì)算濾波器組件值：濾波器組件之電感、電容值愈大，則其對(duì)噪聲之衰減能力愈強(qiáng)，且可達(dá)到之轉(zhuǎn)折頻率愈低，對(duì)低頻噪聲之抑制效果愈佳，但相對(duì)地必須付出成本、體積增加的代價(jià)。由材料特性可知，當(dāng)電感、電容之值愈大時(shí)，組件阻抗特性的自共振頻率愈低，可持續(xù)衰減噪聲之頻率范圍相對(duì)變窄，因此其值不可無限制增大?？紤]電容值對(duì)體積的變化率較電感值來得小，而且市售之電容器都有固定之容值，較缺乏彈性，所以在決定共模和差模濾波器的組件值時(shí)，應(yīng)該要優(yōu)先考慮電容，在安規(guī)限制許可下，盡量選用較大的容值。
實(shí)際執(zhí)行設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)
理論上來說，在電路設(shè)計(jì)階段時(shí)，便要盡可能靠本身的布線設(shè)計(jì)來消除EMI噪訊，EMI濾波器的加入主要是為了消除在線路設(shè)計(jì)中所無法避免的EMI噪訊，而非降低線路設(shè)計(jì)流程復(fù)雜度的武器，當(dāng)然，產(chǎn)品設(shè)計(jì)有其時(shí)間壓力，設(shè)計(jì)者無可避免的會(huì)依賴現(xiàn)有的工具來降低設(shè)計(jì)階段的時(shí)間損耗，過渡依賴濾波器的話，可能會(huì)產(chǎn)生不少糟糕的設(shè)計(jì)，比如說過長(zhǎng)的接地線、錯(cuò)誤的濾波器配置等等。
如果工程師具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通常會(huì)在開始設(shè)計(jì)時(shí)就把電源線路EMI濾波器包含在電路中，而不是等到設(shè)計(jì)結(jié)束，卻未能透過EMI測(cè)試時(shí)，才試圖把濾波器擠進(jìn)原有的布線當(dāng)中。如果他們的設(shè)計(jì)建立在原有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，那么所需要的濾波器功能可能便可以直接從過去的設(shè)計(jì)中沿用下來。但要是涉及不同類型高頻交換電路和較高工作頻率的全新設(shè)計(jì)，那么可能會(huì)面臨需要分析的新的EMI問題。在一般的情況之下，設(shè)計(jì)者會(huì)了解這些EMI具有差模還是共模傳導(dǎo)發(fā)射，并且實(shí)地進(jìn)行測(cè)試，藉此了解在特定頻率范圍內(nèi)需要達(dá)到多少衰減。
4 鐵氧體器件制作工藝對(duì)磁性能的影響
鐵氧體材料的EMI濾波器電感和高頻變壓器因其材料對(duì)應(yīng)力的敏感性，制作過程中固定材料或密封材料對(duì)鐵氧體磁心性能的影響我在1988年《磁性材料與器件》第3期上有過論述，再次顯示有關(guān)數(shù)據(jù)。
灌封后磁滯回線也變粗，變矮了，也就是Hc變大、Bs變小了。
經(jīng)過探討試驗(yàn)，調(diào)整環(huán)氧和固化劑的匹配、填充物的配比，找到一個(gè)較為合適灌封材料，其結(jié)果如表6。
其灌封前后磁滯回線基本重合，達(dá)到要求。
磁心固定對(duì)于LCR振蕩回路中的電感器來說，是保證其電感值長(zhǎng)期不變，保證振蕩頻率長(zhǎng)期不變，保證燈亮度長(zhǎng)期不變，保證節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器壽命的關(guān)鍵。
目前大部分廠家還是用塑料膠帶、浸漆、卡夾，都不合適不科學(xué)，不能長(zhǎng)期保證磁心線圈電感值不變或變化很小。塑料膠帶受熱膨脹后不會(huì)回復(fù)，絕緣漆受熱膨脹干后與磁心分離，卡夾的彈性力不一致。
線包、線架浸絕緣漆，磁心之間采用與鐵氧體材料熱膨脹系數(shù)相近的凝固膠為好。這樣才能保證材料的正確選擇、EMI濾波器的正確設(shè)計(jì)后得到預(yù)期的抗EMI效果。
5 結(jié)束語
一個(gè)完整的電路，在實(shí)現(xiàn)主要功能的同時(shí)，還必須保證各器件之間互相不干擾，整個(gè)電路不受電網(wǎng)干擾、也不干擾電網(wǎng)和其它電子設(shè)備，這樣才具備兼容性、實(shí)用性。選擇好EMI濾波器，選擇好濾波器所用鐵氧體磁環(huán)、磁心形狀尺寸和加工工藝，才能真正達(dá)到設(shè)計(jì)要求和使用效果。

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