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EMI滤波电感设计
EMI滤波器
正常工作的开关类电源(SMPS)会产生有害的高频噪声,它能影响连接到同样电源线上的电子设备
像计算机、仪器和马达控制。用一个EMI滤波器插入电源线和SMPS之间能除掉这种搅乱(图1)。一个
差模噪声滤波器和一个共模噪声滤波器可以串通或在好多状况下单独使用共模噪声滤波器。
图1EMI滤波器的插入一、共模电感设计
在一个共模滤波器内,电感的每一个绕阻和电源输入线中的任一根导线相串通。(对于电源的输入
线来讲)电感绕组的接法和相位是这样的,,
除了泄漏阻抗的小消耗和绕组的直流电阻之外,电感至电源输入线的插入阻抗为另。因为磁通的阻拦,SMPS
的输入电流需要功率,所以将经过滤波器,滤波器应没有任何明显的消耗。
共模噪声的定义是出此刻电源输入线的一根或二根导线上的有害电流经过电感的地返回噪声源的噪声。
此电流要视共模电感的任何一个或二个绕组的所有阻抗,因为它不可以被返回的电流所抵消。共模噪
声电压是电感绕组上的衰减,应从有害噪声中保持电源输入线的畅达。
、选择电感资料
开关电源正常工作频率20KHz以上,而电源产生的有害噪声比20KHz高,常常在100KHz~50MHz之
间。
对于电感来讲,大多数选择合适和高效费比的铁氧体,因为在有害频带内能供给最高的阻抗。当看
到公共参数如磁导率和消耗系数就去鉴别资料是困难的。图2给出铁氧体磁环J-42206-TC绕10匝后的阻
抗ZS和频率的关系曲线。
图2铁氧体磁环的阻抗和频率的关系
在1~10MHz之间绕组到达最大阻抗,串通感抗XS和串通电阻RS(资料磁导率和消耗系数的函数)共同产生总阻抗Zt。
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图3所示为图2中铁氧体资料的磁导率和消耗系数与频率的函数关系。因为感抗引起的降落,以致
磁导率在750KHz以上的降落;因为电阻取决高频的源阻抗所以消耗系数随频率而增添。
图3铁氧体磁环的磁导率、消耗系数和频率的关系
图4给出三种不一样资料的总阻抗和频率的关系。J资料在超出1~20MHz范围内拥有高的总阻抗,
它最广泛地应用于共模滤波器的扼流圈。在1MHz,W资料阻抗比J资料高20-50%,当低频噪声是主要问
题时常常应用J资料;K资料可用于2MHz以上,因为在此频率
J资料
100%。
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范围内它产生的阻抗比
高直至
在2MHz以上或以下,对于滤波器所要求的规范,
J或W是优先的。
图4三种不一样资料的阻抗和频率的关系
、磁芯的形状
对于共模噪声滤波器环形磁芯是最普及的,他们不贵、泄漏磁通也低。环形磁芯一定用手绕制(或
在独到的环形绕线机上绕制)。正常状况要用一个非金属的分开板搁置在两个绕组之间,以及为了和PC板
连接,这个绕制器件还需环氧化在印制板的头部。
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拥有附件的
E形磁芯比环形磁芯贵,但组装成一个整体只要较小的代价。绕制
E形磁芯的骨架相对廉价。
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为了分开两个绕组可购到有分开板的骨架并可安装在
PC板上。
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E形磁芯有更多的泄漏电感,
在共模滤波器中对于不一样的滤波是实用的。
E形磁芯为了增添泄漏电感可以豁
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开缝隙,以便汲取有害的共模和差模噪声。
、磁芯的选择
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下边给出环形磁芯的设计步骤,单层共模电感见图5。为了尽量减小绕组电容和防范因为不对称绕
组引起的磁芯饱和,单层设计是常常应用的。步骤中假设两个相反的绕组之间的最小自由空间为
30度。
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图5单层共模电感的结构
对于共模电感所需的基本参数是电流(I)、阻抗(ZS)、和频率(
个守旧的400A/cm2电流密度不会在导线上产生有效的热量。而一个过分的
f)。电流决定导线的尺寸。一800A/cm2电流密度会引起导线
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发热,这两个等级可用选择图表表示。
在所给频率上,规定一个最小的电感阻抗是正常的。这个频率平时足够低并假设感抗XS能供给图2所示的阻抗。随后电感可计算为:(2)
(1)
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用已知的电感和电流乘积是电流(A)。建立在电流密度(
LI基础上的图
Cd)400或800
6和图7能用于选择磁芯的尺寸,这里L是电感(mH)和I
A/cm2基础上的导线尺寸(AWG)可用下式计算:
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(2)
匝数可由磁芯的AL值决以下:
(3)
、设计举例
在10KHz阻抗为100Ω时,电流为3A,由式(1)计算得LS=;用800A/cm2电流密度时,LI
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乘积为
,为了选择资料可从图
7查得磁芯尺寸。在此例,选择
W资料直至1MHz可以给出高的阻抗,
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见图
4。图
7给出磁芯资料为
W-41809-TC。由表
1可查得磁芯尺寸和
AL值。用AL=12200mH/1000匝,
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式(3)给出
N=12匝每边。用
800
A/cm2时,
式(2)给出
AWG=21。
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表1环形磁芯尺寸及其AL值
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二、整流电感设计
典型的稳压器电路包含三个部分:晶体开关管、二极箝位管、和LC滤波器。一个不稳压的直流电
压加到平时工作在1~50KHz频率的晶体开关管。当开关处在‘ON’状态时,输入电压Ein加到LC滤波器,
结果以致经过电感的电流增大;当开关处在‘OFF’状态时,用储蓄在电感和电容内的节余能量来保持输出
功率。经过调整‘ON’状态时的晶体开关管的导通时间ton和用来自输出端的反响系统来获取稳压。结果
稳固的直流输出电压可表示为:
Eout=Eintonf(4)
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图8典型的稳压器电路
、组件选择
开关系统包含晶体管和来自稳压器输出的反响。晶体管的选择包含两个要素:(1)电压等级需大
于最大的输入电压(2)为了保证有效地工作,截止频率特征一定高于实质的开关频率。反响电路平时包含
运放和比较器。对于二极箝位管的要乞降晶体管的选择同样。假如已知:(1)最大和最小的输入电压(2)
要求的输出(3)最大同意的纹波电压(4)最大和最小的负载电流(5)想要的开关频率,那幺即可获取电
感和电容的值。LC滤波器的设计就简单完成。第一晶体管的截止时间
toff可计算为:
toff=(1-
Eout/Ein
max)/f
(5)
当Ein减至它的最小值
fmin=(1-
Eout/Ein
max)/toff
(6)
用这些值,所需的电感和电容可以算得:
经过电感所同意的纹波峰-峰电流(i)可由下式给出:
i=2IOmin(7)
电感可用下式计算:
L=Eouttoff/i(8)
对于i的计算值是有点任意,但是对于电感可以调整以获取实质值。
最小的电容可由下式给出:
C=i/8fmineO(9)
最后,电容最大的等效串通电阻ESR是:
ESRmax=eO/i(10)
、电感设计
在高频下铁氧体E形和罐形磁芯能供给成本降低和低磁芯消耗的长处。对于开关稳压器,F和P材
料被介绍是因为他们的温度和直流偏置特征。为防范饱和,可采纳增添铁氧体型材气隙的方法使磁芯有效地使用。
对于开关稳压器的应用,这些磁芯的选择步骤能简化电感的设计。假设绕组系数50%和导线载流
容量为500园周面积(CircularMils)/安培,我们能决定最小的磁芯尺寸。
设计应用的两个仅有参数一定知道:
①电感需要用的直流偏置。
②直流电流。
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(1)计算产品的
LI2
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这里:L=拥有直流偏置的所需电感
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I=最大直流输出电流
I
=IOmax+i
(11)
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(2)
将LI2
值设置在铁氧体磁芯的选择图表中(
~)。追踪与第一根磁芯尺寸曲线订交的座
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标,在
Y轴上可读得最大额定电感
AL,它表示最小的磁芯尺寸和最大的
AL,在那一点饱和将被防范。
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(3)若磁芯的
AL较小于在坐标上获取的最大值,那幺对于电感来说,任何磁芯尺寸线只要与
LI2
座标相
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交就表示是一个可使用的磁芯。若可能,使用标准气隙的判臼强扇〉模馐怯捎谒堑挠行浴U庑┰谧
晟嫌眯橄弑硎荆诖耸植崮苷业健?nbsp;
(4)需要的电感L、磁芯尺寸、和磁芯的额定电感(AL)是已知的,那幺可用下式计算线圈的匝数:(12)
N=103√L/AL(12)
这里L的单位是mH
(5)(CircularMils)/安培,从导线表可选择导线的尺寸。
(6)举例
依据以下需求选择开关稳压器的磁芯:
EO=5V
eO=
IOmax=6A
IOmin=1A
Einmin=25V
Einmax=35V
f=20KHz
①用等式(2)、(3)计算晶体开关管的截止时间和最小开关频率fmin
toff=(1-5/35)/20,000=×10-5S
tmin=(1-5/25)/×10-5=18,700Hz
②用等式(4)让最大纹波电流i经过电感
i=2(1)=2A
③用等式(5)计算L
L=5(×10-5)/2=
④用等式(6)、(7)计算C和ESRmax
C=2/8(18700)()=
ESRmax==
⑤产品的LI2LI2=()(8)2=
⑥因为有好多铁氧体型材可以购到,所以可以有不一样的选择,若最大AL没有被超出,那幺与任何磁芯尺寸
订交的LI2值座标都能应用。
以下LI2值座标的选择是:
a)45224EC52磁芯AL315
b)45015E磁芯AL250
44229实芯磁芯AL315
d)43622罐形磁芯AL400
e)43230PQ磁芯AL250
⑦给定AL,对要求电感所需的匝数
AL匝数
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⑧用﹟14导线和
(7)磁芯气隙的应用
直流偏置数据(μe和H的关系曲线)的有关曲线表示点的轨迹,这个轨迹相当于有效导磁率保持
常数。由图9可见以安匝数表示的最大同意的直流偏置,没有使电感减小。超出这个范围电感迅速降落。
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图9有效磁导率与磁场强度的关系应用举例:
求解:多少安匝数能支持R-42213-A-315罐形磁芯不使电感值减小?
已知:
由图查得最大同意的
H=25奥斯特NImax=×H×
=
或用图的顶部座标安匝
/厘米
H=20A-T/cm
NImax=A-T/cm×
=20×
=
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此中:
Ae=有效磁芯截面积
cm2、AL=电感/1000
(13)
匝mH、μi=初始导磁率、
=气隙长度
cm
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(8)附铁氧体磁芯直流偏置选择图表
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