chucizhiwai，haijiangduishangshusanzhongbutongcifenxincailiaosuozhizuodedianganqi，zaiyidingdegongzuopinlvhebutongdianliuxiasuochanshengdegonglvsunhaohedianganwendingxingzuozhuyiduibi。duiyingbutongdegongzuopinlv

，dianganqikeyidedaobutongdedengxiaochuanliandiangan
，dengxiaochuanliandianzuhedengxiaochuanlianzukang
，zhexieshuzhifanyingleraoxianfenbudianrongdaxiaohecifenxinzhongwoliusunhaodedaxiao。

 

圖1單級和雙級濾波器示意圖

(a)單級濾波器（15A）(b)雙級濾波器（15A）

 

單級與多級濾波器

 

在電力和電子功率變換係統中
，濾波器均采用LC電路。這種濾波器一般為“低通濾波器”。濾波器設計非常複雜，需要數學計算，計算機輔助工程和實際經驗相結合。

 

本文考慮兩種濾波器，如圖1所示，一種是單級（一隻電感和一隻電容組成）


，另一種是雙級（兩隻電感和兩隻電容）。接(jie)有(you)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)電(dian)路(lu)具(ju)有(you)明(ming)顯(xian)的(de)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)，但(dan)是(shi)由(you)於(yu)負(fu)載(zai)和(he)電(dian)源(yuan)的(de)阻(zu)尼(ni)作(zuo)用(yong)，頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)又(you)是(shi)有(you)限(xian)的(de)。在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)，還(hai)要(yao)考(kao)慮(lv)電(dian)感(gan)器(qi)繞(rao)組(zu)電(dian)阻(zu)，磁(ci)粉(fen)芯(xin)損(sun)耗(hao)
，電(dian)容(rong)器(qi)引(yin)線(xian)、電極和介質損耗影響。更高頻率下的損耗構成附加阻尼有利於濾波器穩定運行。而且寄生參數（如電容器引線電感和電感繞組的分布電容）都會對濾波器性能產生影響。寄生參數如圖2所示
，RS為電感器的等效串聯電阻，RC為電容器的等效串聯電阻。

 

用幾種型號的美國阿諾公司SUPER－MSS鐵矽鋁磁粉芯製做單級濾波器和雙級濾波器，具體設計參數為：

 

圖2單級濾波器中考慮寄生參數的

 

電路圖和實驗及源負載示意圖

 

圖3等效串聯電感和電阻與頻率的關係曲線

 

圖4等效並聯電容和電阻與頻率之間的關係曲線

 

圖5增益和相位與頻率的關係曲線（對單級濾波器）

 

圖6增益和相位與頻率的關係曲線（對雙級濾波器電路）

 

圖7複合增益和相位與頻率關係曲線

（對單級和雙級濾波器）

 

（1）單級濾波器電感磁芯采用一隻鐵矽鋁MS－130060－2型(磁導率為60)，電感量為13.2μH

，電感繞組導線采用3股18AWG線規漆包線
，DC直流電阻值為4.5mΩ，電容器采用一隻聚丙烯電容
，電容量為15μF。

 

（2）雙級濾波器兩隻電感分別采用兩隻鐵矽鋁MS－106060－2型（磁導率為60）
，每隻電感量為7.95μH
，電感繞組導線也采用與單級濾波器相同的三股18AWG漆包線，圈數為10圈，電感總電阻為5.4mΩ，電容器分別采用兩隻聚丙烯電容，電容量分別為15μF。由於每隻電感所繞的圈數少
，所以在同樣電流下所產生的直流磁場強度要低14.5％。

 

對該二種濾波器的頻率響應特性
，用HP4194A阻抗/增益－相位分析儀進行測試，實驗信號電壓0.5Vrms。結果如圖3
、圖4
、圖5、圖6
、圖7所示。

 

從圖3可以看到
，兩種濾波電路（單級和雙級）的等效串聯電感量（Ls）和電阻值（Rs）隨頻率變化的曲線。電感量大的單級濾波器的自振頻率在26MHz，電感量小的雙級濾波器在40MHz以上時還具有電感特性。或者說電感量小的雙級濾波器，其工作頻率範圍較寬。

 

圖4顯示了電容器有關數值與頻率的關係曲線，即等效並聯電容（Cp）和等效並聯電阻（Rp）隨頻率變化的曲線。可以看到，電容器與其引線電感發生諧振的頻率大約在250kHz。

 

為了說明多級濾波電路的優點
，現把單級和雙級濾波器的頻率響應曲線分別示於圖5和圖6。測試條件使用了最偏離電源的電路工作參數
，輸入源阻抗為50Ω，負載阻抗也是50Ω。在zai典dian型xing的de電dian路lu中zhong，阻zu抗kang值zhi是shi變bian化hua的de，並bing不bu總zong是shi匹pi配pei的de
，尤you其qi在zai低di頻pin下xia，阻zu抗kang值zhi會hui非fei常chang低di。雖sui然ran實shi驗yan條tiao件jian與yu實shi際ji應ying用yong的de電dian路lu條tiao件jian不bu一yi樣yang
，但dan是shi，實shi驗yan結jie果guo表biao明ming
，用yong來lai對dui單dan級ji濾lv波bo器qi和he雙shuang級ji濾lv波bo器qi做zuo對dui比bi，可ke以yi得de到dao許xu多duo有you用yong的de實shi驗yan數shu據ju。 

 

例如：對於每種濾波器而言，衰減量達到最大（增益達到最小值）的原因都是由於電容器與其引線電感發生諧振所造成的。對於單級濾波器，這一點發生在175kHz。所以盡量縮短電容器引線長度的重要性是非常明顯的。隨著頻率從175kHz增加，衰減又開始減少（增益增加），這是因為引線電感阻礙了每隻電容器返回電流的流動。

 

另一個重要的結果是，雙級濾波器在20kHz頻率點下
，具有最低的衰減（最高的增益）。從理論計算，雙級濾波器應該視同於2個單級濾波器在14.6kHz頻率點上的效果
，但是由於電容C1，電感L2和電容C3的阻尼效果，所以頻率點變到了20kHz。在20kHz頻率點，產生了大約30dB的衰減。超過這個頻率點之後，雙級濾波器的增益衰減在60kHz,比單級濾波器還要低20dB。

 

最後還可以注意到，雙級濾波器在300kHz到1MHz範圍內，增益衰減都比單段濾波器大10dB。附加電感和電容減少了電容引線的電感效果。在美國，因為無線電調幅AM波段是在540kHz到1.6MHz之間
，這樣對於改善此波段內的濾波器性能，非常有利。

 

shangshulvboqiceshitiaojianwei，jiangdianrongqicezuoweishuruhuocankaotongdao，jiangdianganqicezuoweiceshitongdao。tongguoguanchakeyikandao
，pinlvxiangyingtexingzaishangshuceshilianjiefangshihecaiyongdianganqicelianjiedaocankaotongdao，jiangdianrongqilianjiedaoceshitongdaodejieguoshixiangside。yinci，shangshushiyanjieguoyeshiyongyudianganqishuruxingdianlu。

 

電源濾波器

 

濾波器通常用於電路或一部分電路以防止電磁幹擾（EMI）。不設濾波器則無用的電信號將會沿著電源線或共用母線傳導引起EMI
，而傳導幹擾也能繼發射頻幹擾（RFI），這是因為電源線對於高頻則是一天線。濾波器的作用就是防止在供電的同時將電噪聲傳導到電力線上。

對於那些連接到公用電上的電子、電器設備而言，各國政府機構都對特定的頻率範圍內所允許的最大傳導噪聲電壓有具體的規定。比如，美國聯邦通訊委員會（FCC）就規定，在450kHz到30MHz頻段內的無線電射頻幹擾，應限製在48dBμV（250μV）以下。這種規定的目的就是要防止射頻幹擾對公共電子設施，如無線電、電視機
、電話機等的幹擾。

 

在電子係統中對電源輸出端噪聲的限製，要由其負載的需要決定。在大多數情況下
，噪聲的濾除是由前述的濾波元件（電感器和電容器）來完成的，由它們抑製輸出電壓的脈動。為了抑製電源輸出端的EMI
，有時設計二級濾波。

 

在含有開關器件的設備中
，比如開關電源的功率晶體管和二極管，都需要在電源輸入端加裝EMI濾波器。在電路中電流的突然變化會導致電壓的短暫升高（或稱電壓尖峰），這個電壓尖峰既施加在輸入導體之間，也施加在導體與地線之間。

 

在輸入導線之間的EMI電(dian)壓(ya)稱(cheng)之(zhi)為(wei)差(cha)模(mo)噪(zao)聲(sheng)。導(dao)線(xian)對(dui)接(jie)地(di)端(duan)的(de)噪(zao)聲(sheng)稱(cheng)之(zhi)為(wei)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)。對(dui)於(yu)抑(yi)製(zhi)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)的(de)電(dian)感(gan)器(qi)，需(xu)要(yao)在(zai)一(yi)個(ge)磁(ci)芯(xin)上(shang)繞(rao)製(zhi)兩(liang)組(zu)電(dian)流(liu)方(fang)向(xiang)相(xiang)反(fan)的(de)導(dao)線(xian)，並(bing)使(shi)用(yong)高(gao)磁(ci)導(dao)率(lv)的(de)磁(ci)芯(xin)。

 

相反，對於抑製差模噪聲的電感器
，則要求磁芯材料在偏磁場下仍然能夠保持磁導率指標。圖8中
，標出了流經電感器的電流I，電壓V和磁芯中的磁場強度曲線，並且畫出了差模濾波器和共模濾波器在開關電源中的應用線路圖。在輸入端
，可以是交流輸入（如市電）
，也可以是電池供電（如48V，用於電信設備中）。當dang電dian池chi供gong電dian時shi，磁ci化hua電dian流liu是shi恒heng定ding的de直zhi流liu電dian。對dui於yu高gao功gong率lv因yin數shu的de交jiao流liu電dian係xi統tong，磁ci化hua電dian流liu接jie近jin正zheng弦xian波bo波bo形xing。而er低di功gong率lv因yin數shu的de交jiao流liu電dian係xi統tong
，其qi磁ci化hua電dian流liu則ze由you一yi係xi列lie的de交jiao變bian脈mai衝chong疊die加jia組zu成cheng。

 

三種磁粉芯材料（鐵鎳鉬MPP
，鐵鎳HF和鐵矽鋁SUPERMSS）最適合用於差模濾波器中的電感（有時這種電感也稱之為“串模電感”或“扼流圈”）。原因是這三種磁粉芯材料在偏磁場下具有極好的電感量保持能力。鐵鎳50％HF高磁通磁粉芯（美國阿諾公司注冊商標Hi－FluxTM）
，特別適合用於高磁通密度工作條件。為了便於比較，圖9標明了三種不同材料磁粉芯在直流偏磁場下的磁導率變化曲線。

 

圖8典型的EMI濾波器電路配置

和差模電感器上的電壓

，電流以及磁滯回線

(a)電路(b)磁滯回線(c)電感器上電壓、電流

 

圖9磁導率與DC直流偏磁關係曲線

 

圖10磁芯損耗與磁通密度關係曲線 

 

圖9中的曲線是對三種不同材料的磁粉芯，在相同尺寸，相同磁導率
，單級濾波器電路中測試得到的數據而繪出的。磁芯分別為鐵鎳鉬MPP磁粉芯（A－291061－2）；鐵鎳50％HF合金（HF－130060－2）
；和鐵矽鋁SUPERMSS合金（MS－130060－2），尺寸均為外徑33.02mm×內徑19.94mm×高度10.67mm，磁導率相同（60）。由圖9可知三種材料的磁導率隨直流偏磁的增大而減小。

 

所謂“完全繞線磁芯”
，指(zhi)繞(rao)線(xian)後(hou)的(de)磁(ci)芯(xin)，漆(qi)包(bao)線(xian)繞(rao)線(xian)厚(hou)度(du)正(zheng)好(hao)達(da)到(dao)磁(ci)芯(xin)原(yuan)來(lai)內(nei)徑(jing)的(de)一(yi)半(ban)位(wei)置(zhi)。通(tong)常(chang)，在(zai)生(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)中(zhong)
，需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)使(shi)繞(rao)線(xian)機(ji)上(shang)的(de)線(xian)鉤(gou)或(huo)線(xian)梭(suo)在(zai)繞(rao)製(zhi)最(zui)後(hou)一(yi)圈(quan)漆(qi)包(bao)線(xian)時(shi)，還(hai)可(ke)以(yi)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)空(kong)間(jian)。在(zai)本(ben)實(shi)例(li)中(zhong)
，電(dian)感(gan)量(liang)為(wei)1.9mH，這個電感量數值是典型的線路濾波所需要的電感量。一般而言
，濾波電感的電感量選擇範圍在幾個μH到幾個mH之間。

 

在工頻下，要求磁芯損耗低，以便充分發揮磁芯材料的高飽和磁通密度性能。圖10是對高磁通鐵鎳50HF磁粉芯測試結果而繪製的曲線。由於高磁通鐵鎳50HF磁粉芯有高的損耗，所以可以用在工作條件最惡劣的情況。在400Hz，9000Gs磁通密度下，它的磁芯損耗為200mW/cm3。在50Hz或60Hz下工作，磁通密度的使用上限要根據磁芯磁導率變化的大小確定，具體可參見圖11。

 

另外一個需要重點考慮的因素是，電感量會隨頻率變化而變化。圖12，圖13和圖14所示的是
，三種不同磁粉芯材料（MPP
，HF和SUPERMSS）繞製的電感器（采用單層繞線，電感量為60μH），它們各自的等效電感、等效串聯電阻、等效阻抗與頻率的關係曲線。

 

從圖12可看到，高磁通鐵鎳HF磁粉芯的等效串聯電感值隨頻率增加而跌落
，這是由於其磁導率下

 

 

該傳感器的優勢是內部數字信號處理器
，它提高了傳感器的精度並且減少了模擬零漂
、溫度偏移和機械壓力對數學運算的影響。另外，該傳感器具有eeprom存儲器和對其編程所用的串行通信接口。這樣，不需改變pcb上的電阻就可以進行校準。對已經安裝的傳感器

，不需拆卸即可修改其參數。

 

對新傳感器優化的最後一步是減小pcb板的尺寸。為此采用了4層的pcb板。與2層pcb板相比
，4層pcb價格略高，但在emc兼容方麵有很大優勢，因此不再需要昂貴的傳感器屏蔽盒。所以
，總的說來4層pcb板更經濟。

 

圖9是新傳感器的功能圖。原來的5個運算放大器中有3個可以省去，而性能仍與之前相同。省去的器件使pcb板的尺寸進一步減小，隻有原來的40%。圖10是兩個傳感器的比較。

 

圖11磁通密度與磁導率的關係曲線

 

圖12等效串聯電感和頻率的關係曲線（單層繞線條件下）

 

圖13等效串聯電阻與頻率的關係曲線（單層繞線條件下）

 

圖14阻抗與頻率的關係曲線（單層繞線條件下）

圖15等效串聯電感/電阻和頻率的關係曲線（100kHz1MHz）

 

圖16阻抗與頻率的關係曲線（100kHz1MHz）

 

圖17單層和完全繞線設計情況下等效串聯

 

圖18單層和完全繞線設計情況下阻抗與頻率的關係曲線

 

降所致,其qi根gen本ben原yuan因yin在zai於yu頻pin率lv增zeng高gao後hou渦wo流liu損sun耗hao隨sui之zhi增zeng大da所suo造zao成cheng的de。正zheng如ru前qian所suo述shu，在zai高gao頻pin下xia的de損sun耗hao對dui濾lv波bo器qi來lai說shuo是shi一yi個ge優you點dian，這zhe是shi因yin為wei這zhe個ge損sun耗hao對dui阻zu尼ni衰shuai減jian提ti供gong了le附fu加jia的de穩wen定ding因yin素su。圖tu15是對圖12和圖13

、圖16是對圖14在100kHz到1MHz範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)曲(qu)線(xian)進(jin)行(xing)的(de)局(ju)部(bu)放(fang)大(da)圖(tu)
，以(yi)便(bian)更(geng)清(qing)楚(chu)地(di)看(kan)到(dao)三(san)種(zhong)磁(ci)粉(fen)芯(xin)的(de)串(chuan)聯(lian)等(deng)效(xiao)電(dian)感(gan)和(he)等(deng)效(xiao)電(dian)阻(zu)及(ji)等(deng)效(xiao)阻(zu)抗(kang)隨(sui)頻(pin)率(lv)變(bian)化(hua)的(de)趨(qu)勢(shi)。可(ke)以(yi)很(hen)明(ming)顯(xian)地(di)看(kan)到(dao)，鐵(tie)矽(gui)鋁(lv)SUPERMSS在高頻下的渦流損耗是最低的，所以它的電感量（磁導率）和電阻都是變化最小的或基本不變的。

 

最後，看一下電感器的分布電容（對單層和多層繞線做比較）與頻率的關係曲線，見圖17和圖18。從圖中看到
，超過1.6MHz之後，這個雜散電容確實使成本高的多層電感器的阻抗比成本較低的單層電感器的阻抗要低。

 

結語

 

三種磁粉芯材料都非常適合用於電源濾波。高磁通鐵鎳50％HF磁粉芯的性能最好，因為它在高飽和磁通密度下具有保持電感量的能力，同時它還提供在高頻下所需要的阻尼衰減功能。

 

另外一個需要重點考慮的因素是，由於磁性材料本身所具有的磁致伸縮所產生的音頻噪聲。而高磁通HF鐵鎳50％磁粉芯在50Hz或60Hz下
，會產生音頻噪聲（嗡嗡聲）。當然，直流磁化電流不會產生音頻噪聲，所以它最適合用作電池供電的電源係統中輸入濾波電感。

 

鐵鎳鉬MPP磁粉芯和鐵矽鋁SUPERMSS磁粉芯都具有特別低的磁致伸縮係數，它們都不會產生音頻噪聲。鐵鎳鉬MPP磁粉芯在直流偏磁場下的磁導率變化量最小，這是它的一個優點。由於50Hz或60Hz交流電與音頻頻率相比幾乎可以認為是近似直流，所以可以用在直流偏磁下三種磁粉芯磁導率變化曲線
，來推測50Hz或60Hz電流偏磁場下的磁導率變化趨勢。鐵矽鋁SUPERMSS磁粉芯的單位體積製造成本（價格）最低
，最適合用於一般電源濾波電感
，具有很高的性能價格比。而鐵鎳鉬MPP和高磁通鐵鎳50％HF磁粉芯的價格水平差不多，鐵鎳鉬MPP磁粉芯最高。

 

 

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