新一代开关电源EMI滤波器的走势

2006-05-07 15:49:46来源: 电子产品世界

问题的提出

    90年代以来,随着电子设备小型化和表面组装技术的发展,电子元器件向小型化、片式化、复合化、多功能和高性能化发展,各种表面组装元件已逐渐成为电子元件的主流产品。

    以上半导体大规模集成造成的负面影响,特别是网络化的迅速发展,直接导致了抗电磁干扰能力的迅速下降。据IBM公司的常规观察统计表明:严重威胁电子、电气设备安全可靠工作的起因中,88.5%是来自电源中的电压瞬变和电磁脉冲。当前EMI(电磁干扰)滤波器仍然是抑制电磁干扰的有效手段之一。因此,目前摆在传统EMI滤波器面前的一个不可回避的问题是如何适应电子设备小型化的发展需求。

片式元件的发展近况和趋势

    目前国际上直流系列片式电容发展迅速,但适应电源滤波的功率磁性元件受到了能量存储容量的限制。设电感L在瞬变电流i时所存储的能量为w,则有下式

    若电感采用环形磁芯,电感量为:

    式中:μ初始磁导率;N匝数;A磁芯截面积;D磁环平均直径。

    磁芯内磁场强度H为:

    H=0.4Ni / D    (3)

    解方程求得所存储能量W为:

    由于:μ=B / H    (5)

    式中:B为磁芯的磁感应强度值

    (4)或(6)式都表明磁芯材料的体积A.D和初始磁导率μ决定了电感存储能量的上限。换句话说,功率转换器电路对能量存储的要求也就确定了功率磁性元件的最小尺寸。在同样的磁场强度下同一磁芯通过的瞬变电流愈大所允许的电感值愈小。

    片式电感的结构有开式和闭式两种,见图1。

    图中a)、b)、c)分别为环形磁芯、双E形磁芯和罐形磁芯,它们的磁路是封闭的,所以是闭式磁芯(可减少EMI的产生)。d)为工字形磁芯,因磁路不封闭所以是开式磁芯,它可能会与其它敏感元件耦合产生不良影响,但可以承受更大的电流。这是因为开式磁芯磁导率很低,因此在存储能量W相同的条件下,可承受更大的电流。例如日本WUMIDA公司开式磁芯的体积长×宽×高(约)为12×12×6mm,当额定电流为10A时,其电感值为2.1μH;而双E闭式磁芯,在相同额定电流10A时,其电感值为2.4μH(略大些),但体积长×宽×高(约)为16.4×16.4×9.6,要较前者体积增大2.37倍(后者最大额定电流为20A时,电感值为1μH)。

    为了降低高度(低造型)和增大载流容量,目前大电流片式电感绕组的导线由圆截面向扁平截面转变(含印制板的电感)。上述12×12×6mm、10A、2.1μH电感就是采用约1.7×0.2mm扁铜条绕制的。

    国家“九五”计划和2010年远景目标纲要中新型元件列为电子工业发展重点之一,包括6个门类的新型元器件中,表面贴装元器件摆在首位。2000年电子信息产品对新型片式元件需求300亿只(1999年电子信息产品对电感器、变压器、磁性器件需求165亿只)。这就是中国信息产业的发展对新型片式元件的市场需求。

片式EMI滤波器的发展概况

    国际片式EMI滤波器目前以信号滤波器为主,可运用于电源的EMI滤波器较少,如TDK公司的ACH3218、ACH4518系列,采用铁氧体磁珠和片式电容组成T型滤波电路。其中ACH3218体积L×W×H=3.2×1.8×2.5mm,最大额定电压20VDC、最大额定电流1.5A,25dB插入损耗的频率范围由11MHz-55MHz到600MHz-700MHz共18个品种。

新一代EMI波波器的设想

    开关电源产生的噪声中,在低频段差模噪声分量占主要成份,在高频段共模噪声分量占主要成份,因此采用共模和差模扼流圈是必要的,但如何减少它们的体积是令设计者最头痛的事,最近日本村田公司开发了PLY系列混合扼流圈,这种器件以一种十分巧妙的方式把共模和差模扼流圈紧凑地结合为一体,其中的PLY10系列分别有共模磁路和差模磁路,每个磁路有各自的铁氧体磁芯,其最大安装尺寸为L×W×H=18×16×17.5mm,额定电流范围为0.5~2.0A,对100VDC的耐压产品可承受40~150W 功率,对200VDC耐压产品可承受75~300W功率,这样宽的使用范围使PLY10系列器件可与大多数开关电源设备兼容。

    PLY系列的事例给大家一个启示,开关电源共、差模噪声的有效抑制还得依靠专门的电感器件――共、差模扼流圈,由简单的片式(电容、电感)元件所组成的EMI滤波器是难以胜任抑制开关电源所产生的共、差模噪声的。

    为此有效抑制开关电源噪声的新一代EMI滤波器应该是由有效的共、差模扼流圈和若干电容组成的相关电路,为了减小体积,这些电感、电容元件应尽可能采用片式元件。

    另一可供借鉴的方法是为电源模块专业厂商生产的系列电源模块,通过MIL-STD-461的CEO3或其它规范研制专用的配套EMI滤波器。如美国Advanced Analog公司为AHE、ATO、ATW和AHF系列DC/DC电源模块配套了AFC461系列EMI滤波器,其额定电压28~40VDC,额定电流4A,100kHz-50MHz插入损耗40dB,工作温度-55~155°C,最小尺寸L×W×H=53.85×28.45×9.65mm 。类似的还有美国的interpoint公司为MHE/MLP、MHL、MTO和MTW系列DC/DC电源模块配套了FMH-461EMI滤波器,其插入损耗指标强调500kHz处最少衰减50dB,200kHz处最少衰减35dB。

    VICOR公司也为其新一代电源模块配置MICRO封装的输入滤波模块FILTMOD,以及MICRO封装的输入保护模块LAM2,前者能有效地消除传导干扰噪声,后者能有效地限制浪涌电流和尖峰干扰,如图2和图3所示。

    建议开关电源EMI滤波器的电路采用图4所示的标准模式电路,它有利于发展成为标准模块并最终集成。在实际运用中如果一级滤波模块抑制不够,可以再串接第二级滤波模块。

    在国产产品中,北京中北创新科技发展有限公司研制的实验样品CX系列电路采用图4标准模式,结构采用扼流圈,体积L×W×H=15×15×9.5mm,额定电压50VDC,额定电流0.5~2A。

展望

    为了适应电子设备不断小型发展的需要,以采用片式电容、电感为主的新一代EMI滤波器的出现和发展是历史的必然。与标准模块电源的发展历史一样,新一代EMI滤波器也应该向标准模式电路的方向发展。由于目前直流系列片式电容发展迅速,所以新一代直流系列EMI滤波器的发展有可能成为现实。遗憾的是交流片式电容发展,目前仅有村田公司的CHM2143、GHM2145和GHM2243系列,它们的交流耐压性能比传统的聚脂薄膜电容差。因此新一代交流系列EMI滤波器还有待于交流片式电容的深入开发和发展。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2052.html
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