CN101661827A - Emc电感及其制作方法、emi滤波器和开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种EMC电感，包括磁芯和绕制在所述磁芯的绕组，绕组产生的引线电感和匝间电容使得EMC电感第二皆振频率处于设定频段，该设定频段根据所要抑制的骚扰信号所对应的频率来确定。本发明还公开了一种含有该EMC电感的EMI滤波器，以及含有该EMI滤波器的开关电源。本发明还公开了一种该EMC电感的制作方法。本发明EMC电感所具有的第二个谐振频率能够对其所在频段的高频噪声进行有效抑制，提高了滤波器中电感的高频EMC性能，能在10MHz至200MHz频段实现带宽为10MHz左右的高阻抗特性。

Description

EMC电感及其制作方法、EMI滤波器和开关电源

技术领域

本发明涉及EMC(Electro Magnetic Compatibility，即电磁兼容)设备，具体涉及一种EMC电感、其制作方法、EMI滤波器以及具有该种EMC滤波器的开关电源。

背景技术

目前电源模块中所采用的EMC电感如共模电感一般都主要注重模块开关频率附近的频率特性设计，由于开关频率通常在1MHz以下频率，所有已知的EMC电感设计对1MHz以上的频率特性就很少考虑了。在开关电源设计中，对于30MHz以上频率的骚扰主要通过端口的Y电容进行滤波抑制，但对于电压源性质的骚扰，要求Y电容的容量很大，而Y电容允许使用大小是有安规、成本等许多限制，这样便给滤波器设计带来了很大的困难。

发明内容

本发明的主要目的就是解决现有技术中的问题，提供一种既能对电源模块开关频率段也能对更高频段的电磁骚扰进行抑制作用的EMC电感及其制作方法，降低对电源模块中的Y电容的设计要求。

本发明的又一目的是提供一种采用该EMC电感的开关电源，不需采用容量很大的Y电容也能对电磁骚扰进行有效抑制。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种EMC电感，包括磁芯和绕制在所述磁芯的绕组，其特征在于，所述绕组产生的引线电感和匝间电容使得EMC电感第二谐振频率处于设定频段，所述设定频段根据所要抑制的骚扰信号所对应的频率来确定。

优选地：

所述设定频段为10MHz～200MHz。

所述磁芯为环状磁芯，所述绕组包括层叠绕制于所述环状磁芯上的至少两个绕组层。

所述绕组包括三个绕组层，所述绕组层集中绕制在所述环状磁芯的部分弧段上。

在至少两个相邻的绕组层之间设置有至少一个绝缘层。

所述EMC电感为共模电感。

一种EMI滤波器，其特征在于，包括如前所述的EMC电感。

一种开关电源，其特征在于，包括如前所述的EMC电感EMI滤波器。

一种EMC电感的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1、根据所要抑制的骚扰信号所对应的频率来确定EMC电感第二谐振频率所处频段；

B1、将绕组绕制在磁芯上，其所产生的引线电感和匝间电容使得EMC电感第二谐振频率位于所述频段。

优选地：

所述频段确定为10MHz～200MHz。

所述磁芯采用环状磁芯，所述步骤B1中，所述绕组在所述环状磁芯上层叠绕制至少两个绕组层。

本发明有益的技术效果是：

本发明中，EMC电感的引线电感和匝间电容使得其第二谐振频率处于设定频段，而该设定频段是根据所要抑制的骚扰信号所对应的频率来确定的，由于EMC电感自身的寄生参数使得EMC电感第二谐振点处即该高频骚扰信号频率所在频段范围内的电感阻抗值很高，而且带宽也较宽，因此能够它有效地抑制频率远高于电源模块开关频率(开关频率在1MHz左右)的高频噪声。优选将频段取在10MHz～200MHz，例如，在30MHz以上实现频段如30MHz～40MHz而带宽为10MHz左右的高阻抗特性。本发明的EMC电感能改善EMI滤波器的滤波能力，提高其所应用的开关电源的抗干扰能力。并且，采用本发明可在不降低开关频率低频特性的前提下，通过进一步调整绕组绕制形式来任意调节其高阻抗的频率范围。例如，通过增加或减少绕组层数，改变各层之间的距离，调整层间的绕组匝数比来调整匝间电容。另外，通过对寄生参数合理设计，将本发明EMC电感的第二谐振频率点设计在10MHz～30MHz频段范围内，可改善滤波器在传导测试频率范围内的滤波能力。

附图说明

图1为EMC电感在开关频率附近的等效电路模型；

图2为EMC电感在超出开关频率一定值的高频下的等效电路模型；

图3为本发明实施例一的共模电感截面示意图；

图4为本发明实施例一的谐振频率曲线示意图；

图5为本发明实施例一的共模电感制作流程图；

图6为本发明实施例二的共模电感截面示意图；

图7为本发明实施例三的共模电感截面示意图。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

具体实施方式

首先介绍一下实现本发明的物理原理。电路串并联谐振频率即滤波器件中电感与电容阻抗值相等时的频率，亦即jωL＝1/jωC时对应的谐振频率(或转折频率)，其中，jωL表示感抗值，1/jωC表示容抗值。对于EMC电感(如共模电感)而言，也就是电感中的电感和寄生电容阻抗值相等时所对应的频率。常用的EMC电感的等效电路模型如图1所示，其中，L表示磁芯产生的电感，Lr表示所用漆包线的引线电感，Cp表示电感的匝间电容，R表示寄生电阻。由于常用电感磁芯的频率特性最多达到在几MHz，当频率达到一定程度后，磁芯产生的电感L≈0，这时EMC电感的等效模型就转化成图2所示情况，其中，Lr表示所用漆包线的引线电感，Cp表示电感的匝间电容，R表示寄生电阻。根据以上的分析可知，随着频率的变化，EMC电感的阻抗特性将出现两个谐振频率(请参考图4)，这是由于EMC电感和其自身寄生电容产生并联谐振引起的，在谐振频率处其阻抗值出现峰值，本发明中，称从频率0Hz至无穷大Hz正横轴方向出现的第一个阻抗峰值所对应的频率称为第一谐振频率，第二个阻抗峰值所对应的频率称之为第二谐振频率。第一谐振频率主要由磁芯电感L、匝间电容Cp决定，第二谐振频率则主要由引线电感Lr、匝间电容Cp决定。由于EMC电感的寄生参数比较小，第二谐振频率往往处于较高的频率，而谐振频率较高，则并联谐振点处的共模电感阻抗值也会很高，且带宽也较宽。以往的EMC电感设计一般注重其第一谐振频率点及其之前的频率特性，第二谐振频率点往往被忽略，故往往要按照较高的规格设置Y电容来进行抑制电磁骚扰。本发明通过巧妙将EMC电感第二谐振频率点设计在需要的频段内，就能有效地提高处于谐振频率带宽范围内的电感阻抗值，从而提高EMC电感对该频段范围的噪声抑制能力。尤其是对超过30MHz频率的骚扰(辐射测试范围内的频率)，将EMC电感的谐振频率设计在超标的骚扰频率点附近，能够有效地抑制其辐射骚扰。

由以上分析知，第二谐振频率由寄生的匝间电容Cp和引线电感Lr决定，适当减小匝间电容Cp和引线电感Lr，能获得处于较高频段的第二谐振频率。而匝间电容Cp主要决定于绕组各匝间的距离等因素，引线电感Lr主要来自决定绕组(如铜线)的线径和长度。具体来说，绕制EMC电感时，改变其磁芯尺寸、增减绕组匝数、改变绕组铜线的线径等将直接影响引线电感Lr，而改变绕法，如增加绕制层数、改变各层的匝数的比例等方法均能改变匝间电容Cp。

实施例一

图3展示了本实施例的一种EMC电感，其为采用普通铁氧体磁芯的共模电感。铁氧体磁芯为环状，绕组包括层叠绕制在铁氧体磁芯的第一绕组层和第二绕组层，第一绕组层贴靠磁芯均匀环绕，第二绕组层绕在第一绕组层外侧。另外，在磁芯中间设置有共模电感的隔离挡板1，其主要是为了共模电感工艺加工的方便而设置。第一、二绕组层产生的引线电感和匝间电容使得共模电感的第二谐振频率处于10MHz～200MHz频段，使共模电感在该频段具有高阻抗特性，故能有效抑制该频段范围的高频骚扰频点。优选可将第二谐振频率点确定在30MHz～40MHz之间如35MHz左右，带宽约10MHz左右。

如图4所示，图中展示了按照本实施例的共模电感所获得的两个谐振频率点，其中，第一谐振频率f1为400KHz左右，第二谐振频率f2为35MHz左右，带宽BW为10MHz左右。

本实施例共模电感的制作方法请参考图5，包括如下步骤：

步骤S1、首先确定共模电感谐振频率点所在频段，共模电感的第一谐振频率点确定在400KHz左右，而根据所要抑制的高频骚扰频点，将共模电感第二谐振频率点确定在30MHz～40MHz之间优选在35MHz左右，带宽约10MHz左右。

步骤S2、接下来，将绕组分两层叠绕在磁芯上，其所生成的引线电感Lr和匝间电容Cp使得共模电感第二谐振频率位于30MHz～40MHz频段。

绕制过程中，可通过调节匝间电容Cp的方式来调整共模电感的第二谐振频率。匝间电容Cp通过第一绕组层和第二绕组层的匝数分配来调整，即在总匝数维持不变的条件下，调整第一绕组层和第二绕组层的匝数比例，而电感量基本不会变化。由于匝间电容Cp发生变化，根据前述原理，共模电感第一谐振频率点和第二谐振频率点都会发生变化，从而达到调整其谐振频率的效果。优选的微调方式是，逐步减少第一层的匝数和增加第二层的匝数。更具体地，可采用以下形式：电感总匝数设置为14匝，第一层10匝从底部到顶部均匀绕制，第二层4匝依序绕制且不超过磁芯的中心位置(即不超出磁芯半周)，绕完后直接拉到底部。另外，只调整第二绕组层各匝的间距也可以方便地调整第二谐振频率点。例如，匝间距离减小，则匝间电容Cp减小，使得第二谐振频率点提高。第一、二绕组层匝数分配或者第二层各匝间距调整还能不降低共模电感低频的阻抗特性。

另外也可以保持漆包线绕制方式不变，直接增减总的绕组匝数，由此同时改变寄生电感和寄生电容值来调整共模电感的谐振频率点。例如，匝数增加时，匝间电容Cp和引线电感Lr均增大，谐振频率降低。

实施例二

请参考图6，与实施例一的共模电感相似，电感的绕组包括层叠绕制在铁氧体磁芯的第一绕组层和第二绕组层，第一绕组层贴靠磁芯均匀环绕，第二绕组层绕在第一绕组层外侧。与实施例一不同在于，还在第一绕组层和第二绕组层之间增设了绝缘层5，绝缘层可采用例如绝缘胶带或类似的材料，从而调节匝间电容Cp，并由此达到调节共模电感第二个谐振频率点的作用。具体地，在两层之间增加了一层0.15mm厚的绝缘胶带5。本实施例共模电感的第一谐振频率设置在400KHz左右，而第二谐振频率设置在35MHz左右，带宽约10MHz左右。

类似于实施例一，本实施例共模电感的制作步骤请参考图5。在绕制过程中，也可以通过改变第一、二绕组层之间的距离来调节匝间电容Cp，由此调整共模电感第二谐振频率点。例如，层间距离增大，则匝间电容Cp减小，使得第二谐振频率点提高。

实施例三

请参考图7，与实施例一、二不同在于，共模电感的绕组除包括第一、二绕组层外，还包括第三绕组层，其依次共在磁芯上叠绕了三层。通过增加绕组层数也可以方便地改变电感第二个谐振频率点。本实施例共模电感的第一谐振频率设置在400KHz左右，而第二谐振频率设置在35MHz左右，带宽约10MHz左右。

类似于实施例一，共模电感制作步骤请参考图5。其中，本实施例在不改变绕组引线的前提下增加一个绕组层。相比两层叠绕方式，三个绕组层集中绕制在环状磁芯的部分弧段上，其所卷绕磁芯的面积变小，磁芯窗口面积利用率降低，由此调整了共模电感的电感量。此方面主要调整了共模电感第一谐振频率。另一方面，卷绕层数的增加调整了寄生匝间电容值Cp，使其值增大，进而降低了共模电感第二个谐振频率点。并且，增加绕组层数时对磁芯卷绕的范围没有具体限制，而可根据实际需要的参数来确定，这样就可以更加方便地随意调整共模电感的谐振点。

以上实施例虽均以共模电感为例，本发明同样适用于差模电感等EMC滤波器件。

除了通过上述实施例的绕制调整方式来使共模电感获得一定的寄生参数值，还可以采用相同尺寸但不同的磁芯材料(如非晶等高磁导率材质)来改善低频特性，也可以采用其他各种形状的磁芯或者通过定制骨架的方式来设计寄生匝间电容，从而达到同样的良好高频率特性。

在另一方面，本发明还提供了一种EMI滤波器，在具体的实施方式中，该EMI滤波器可包括前述实施例的EMC电感。

在又一方面，本发明还提供了一种开关电源，在具体的实施方式中，该开关电源可包括含前述实施例的EMC电感的滤波器。

本发明通过调节共模电感自身寄生参数，包括寄生匝间电容Cp和引线电感Lr，利用提高共模电感第二谐振点来提高其高频(尤其是30MHz以上)滤波特性，优选在10MHz至200MHz范围能实现大带宽的高阻抗特性，并且可在不降低低频特性的前提下，通过改变绕制方法来任意调节其高阻抗的频率范围。采用本发明，能改善EMI滤波器的滤波性能，进而能有效提高开关电源模块的抗干扰能力，不需专门设置容量很大的Y电容也能对电磁骚扰进行有效抑制。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种EMC电感，包括磁芯和绕制在所述磁芯的绕组，其特征在于，所述绕组产生的引线电感和匝间电容使得EMC电感第二谐振频率处于设定频段，所述设定频段根据所要抑制的骚扰信号所对应的频率来确定。

2.如权利要求1所述的EMC电感，其特征在于，所述设定频段为10MHz～200MHz。

3.如权利要求2所述的EMC电感，其特征在于，所述磁芯为环状磁芯，所述绕组包括层叠绕制于所述环状磁芯上的至少两个绕组层。

4.如权利要求3所述的EMC电感，其特征在于，所述绕组包括三个绕组层，所述绕组层集中绕制在所述环状磁芯的部分弧段上。

5.如权利要求3所述的EMC电感，其特征在于，在至少两个相邻的绕组层之间设置有至少一个绝缘层。

6.如权利要求1至5任意一项所述的EMC电感，其特征在于，所述EMC电感为共模电感。

7.一种EMI滤波器，其特征在于，包括如权利要求1至5任意一项所述的EMC电感。

8.一种开关电源，其特征在于，包括如权利要求7所述的EMI滤波器。

9.一种EMC电感的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1、根据所要抑制的骚扰信号所对应的频率来确定EMC电感第二谐振频率所处频段；

B1、将绕组绕制在磁芯上，其所产生的引线电感和匝间电容使得EMC电感第二谐振频率位于所述频段。

10.如权利要求9所述的EMC电感的制作方法，其特征在于，所述频段确定为10MHz～200MHz。

11.如权利要求9或10所述的EMC电感的制作方法，其特征在于，所述磁芯采用环状磁芯，所述步骤B1中，所述绕组在所述环状磁芯上层叠绕制至少两个绕组层。

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