CN101854152A - 一种圆形pcb线匝构成的平面emi滤波器集成模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆形PCB线匝构成的平面EMI滤波器集成模块，属于EMI电源滤波器的平面磁集成结构。该模块包括一个壶型磁芯(201)、四个共模电感层I、II、III、IV(203、204、208、209)、两个差模电容I、II(202、210)、两个共模集成LC结构I、II(205、207)和一个漏感层(206)。本发明的集成结构体积较小、易于安装、提高了导体的利用率，使得高频电流在平面螺旋线圈上均匀分布，提高了滤波器的插入损耗，改善了滤波器的高频性能。本发明可应用于分布式电源系统的前端变换器中。

Description

一种圆形PCB线匝构成的平面EMI滤波器集成模块

技术领域

本发明涉及一种圆形PCB线匝构成的平面EMI滤波器集成模块，属于EMI电源滤波器的平面磁集成结构。

背景技术

各种电力电子装置中功率器件的开关工作引起了极大的电压或电流脉冲，从而引发了严重的电磁干扰(EMI)。这些干扰经近场和远场耦合形成传导和辐射干扰，严重污染电磁环境和电源系统。对于传导干扰，采用EMI滤波器进行滤波是一种非常有效和经济的手段，将该类滤波器适当的接入电源和负载之间，不仅能防止电力电子装置产生的噪声传导进入电网，同时也能防止电网中的各种高频噪声通过传导耦合进入电力电子装置。

然而在高频时，由于分立元件的寄生参数，例如电感的并联寄生电容(EPC)、电容的串联寄生电感(ESL)等，使EMI滤波器在高频时的插入损耗明显降低，严重影响了EMI滤波器的高频性能。同时，由于传统的无源分立元件因其元件数量多、体积大，成为电力电子设备小型化发展过程中的障碍。将平面磁集成技术应用于EMI滤波器，在实现模块化和小型化的同时，可以有效减小其高频寄生参数。

平面集成LC结构是构成平面磁集成EMI滤波器的基本单元，弗吉尼亚理工大学的YingLin Zhao提出了一种广义传输线理论，通过该理论可以较好的预测平面LC结构的高频特性，Rengang Chen设计了应用于开关电源系统的平面EMI滤波器(图1)，该滤波器采用平面EI型磁芯(104)，由差模电容(101)、共模集成LC结构(102)及漏感层(103)组成，利用一匝的平面LC结构作为差模电容，在电路中采用四端点连接方式，以减小串联寄生电感，采用两个多匝的平面LC结构连接成低通滤波器结构，并联在一起作为共模扼流圈，该种结构实现了EMI电源滤波器的平面磁集成结构，减小了体积，大大提高了功率密度，并且减小了高频的寄生参数。图1所示的平面集成EMI滤波器，采用矩形的平面螺旋线圈。随着现代电力电子向高频方向发展，电流在直接拐角处分布很不均匀，严重影响滤波器性能。构成平面LC结构的螺旋线圈有部分在磁芯外，减小了导体的利用率，不能有效的产生足够大的电感，同时由于构成平面集成LC结构的PCB板采用高介电常数的陶瓷材料，陶瓷材料较脆，不易进行安装。

发明内容

本发明提供一种圆形PCB线匝构成的平面EMI滤波器集成模块，与现有技术相比，平面集成LC结构采用圆形的平面螺旋线圈，消除了高频时矩形螺旋线圈的拐角处电流分布不均带来的影响，同时，采用了壶型磁芯，螺旋线圈全部包含在磁芯内部，提高了导体的利用率，并且易于安装。本发明可应用于分布式电源系统的前端变换器中，与分立元件组成的EMI电源滤波器相比，体积明显减小，并且提高了滤波器的插入损耗，改善了滤波器的高频性能。

本发明为实现上述发明目的，采用如下技术方案：

一种圆形PCB线匝构成的平面EMI滤波器集成模块，其特征在于包括壶型磁芯、共模电感层、共模集成LC结构、漏感层和差模电容，其中共模电感层包括共模电感层I、共模电感层II、共模电感层III和共模电感层IV，共模集成LC结构包括共模集成LC结构I和共模集成LC结构II，差模电容包括差模电容I和差模电容II；共模电感层I、共模电感层II和共模集成LC结构I的左边线圈通过导线顺向串联在一起，形成一个左端顺向耦合结构，两个共模集成LC结构之间由漏感层隔离，共模电感层III、共模电感层IV及共模集成LC结构II的右边线圈通过导线顺向串联在一起，形成一个右端顺向耦合结构，差模电容I的一个端口作为整个滤波器的输入端口，差模电容II的一个端口作为整个滤波器的输出端，整个集成模块置于壶型磁芯的内部。

所述的共模电感层包括单层PCB板和平面螺旋线圈，平面螺旋线圈置于单层PCB板上方，所述的PCB板的板材为具有低介电常数的FR4，所述的平面螺旋线圈由同圆心的依次增大的半圆形PCB绕线首尾相接而构成。

所述的共模集成LC结构包括双面的PCB板、上层平面螺旋线圈和下层平面螺旋线圈，上层平面螺旋线圈和下层平面螺旋线圈分别置于双面的PCB板的上方和下方，所述的PCB板的板材采用介电常数为70-150的陶瓷材料NPO，所述的上层平面螺旋线圈和下层平面螺旋线圈分别由同圆心的依次增大的半圆形PCB绕线组成首尾相接而构成，上层平面螺旋线圈和下层平面螺旋线圈包含的半圆形PCB绕线匝数相同，并且完全对称。

所述的差模电容I包括双面PCB板，上层平面螺旋线圈和下层平面螺旋线圈，上层平面螺旋线圈和下层平面螺旋线圈分别置于双面的PCB板的上方和下方，所述的PCB板的板材采用高介电常数10000-20000的陶瓷材料Y5V，所述的上层平面螺旋线圈和下层平面螺旋线圈均为单匝，且上下两层完全对称，。

所述的漏感层采用高分子铁氧体复合磁材料。

所述的壶型磁芯采用型号为P43/30，其中壶型磁芯的一半磨成平面型，以减小整个滤波器的高度。

如上所述，本发明采用圆形的平面集成LC结构作为集成EMI滤波器的基本组成单元，使得高频电流在平面螺旋线圈上均匀分布，不会影响滤波器的性能，选用壶型磁芯增加了导体的利用率，且易于安装。

附图说明

图1是基于矩形平面集成LC结构的集成EMI滤波器。

图1中标号名称：101、差模电容；102、共模集成LC结构；103、漏感层；104、平面EI型磁芯。

图2A是基于圆形平面集成LC结构的集成EMI滤波器。

图2A中标号名称：201、壶型磁芯；202、差模电容I；203、共模电感层I；204、共模电感层II；205、共模集成LC结构I；206、漏感层；207、共模集成LC结构II；208、共模电感层III；209、共模电感层IV；210、差模电容II。

图2B是圆形平面集成EMI滤波器的等效集中参数电路。

图3A是平面集成LC结构。

图3A中标号名称：301、上层平面螺旋线圈；302、PCB板；303、下层平面螺旋线圈。

图3B是平面集成LC结构的等效集中参数电路。

图4A是平面螺旋电感。

图4A中标号名称：401、平面螺旋线圈；402、PCB板。

图4B是平面螺旋电感的等效电路。

图5A是集成的差模电容。

图5A中标号名称：501、上平面螺旋线圈；502、PCB板；503、下平面螺旋线圈。

图5B是集成差模电容的等效集中参数电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图2A所示的实例，本发明提供的一种圆形PCB线匝构成的平面EMI滤波器集成模块包括一个壶型磁芯201，两个差模电容201和210，四个共模电感I203、204、208和209，两个集成LC结构205和207，一个漏感层206。差模电容(图5A)的A₁和B₁作为滤波器的输入端由导线引出，C₁接共模电感层203(图4A)的E点，共模电感层203和204顺向耦合串联，共模电感层204的F点接集成LC结构的A点(图3A)，共模电感层203、共模电感层204及集成LC结构205的左边线圈通过导线顺向串联在一起，形成一个左端顺向耦合结构，差模电容的C₂点接集成LC结构207的C点，集成LC结构205和207的D点分别接地，而B点均悬空。两个共模集成LC结构之间由漏感层206隔离，共模电感层208、共模电感层209及集成LC结构207的右边线圈通过导线顺向串联在一起，形成一个右端顺向耦合结构，与前面所述的共模电感的同名端在同一方向，差模电容的C₂和D₂作为滤波器的输出端口(图2B)，整个集成模块置于壶型磁芯201的内部。

如图3A所示共模集成LC结构包括双面的PCB板302、上层平面螺旋线圈301和下层平面螺旋线圈303，上层平面螺旋线圈和下层平面螺旋线圈分别置于双面的PCB板的上方和下方，所述的PCB板的板材采用介电常数为70-150的陶瓷材料NPO，所述的上层平面螺旋线圈和下层平面螺旋线圈分别由同圆心的依次增大的半圆形PCB绕线组成首尾相接而构成，上层平面螺旋线圈和下层平面螺旋线圈包含的半圆形PCB绕线匝数相同，并且完全对称。图3B为图3A的等效电路图，每层线圈的匝数为N₁，导线宽度为t₁，PCB板厚度为d₁。

如图4A所示共模电感层包括单层PCB板402和平面螺旋线圈401，平面螺旋线圈置于单层PCB板上方，所述的PCB板的板材为具有低介电常数的FR4，所述的平面螺旋线圈由同圆心的依次增大的半圆形PCB绕线组成首尾相接而构成。图4B为图4A的等效电路图，匝数为N₂，导线宽度为t₂，PCB板厚度为d₂。

如图5A所示差模电容202包括双面PCB板，上层平面螺旋线圈501和下层平面螺旋线圈503，上层平面螺旋线圈和下层平面螺旋线圈分别置于双面的PCB板的上方和下方，所述的PCB板502的板材采用高介电常数10000-20000的陶瓷材料Y5V，以提高差模电容值，所述的上层平面螺旋线圈和下层平面螺旋线圈均为单匝，且上下两层完全对称，。图5B为图5A的等效电路图，匝数为1，导线宽度为t₃，PCB板厚度为d₃，壶型磁芯的磁路面积为A_e，磁路长度为l_e，磁导率为μ_r。

集成EMI滤波器的各层关于漏感层对称，左右两边的结果相同。在左半部分，两个共模电感层与集成LC结构的顺向耦合串联构成共电感，其大小为：

$L_{\mathrm{CM}}={(N_1+2N_2)}^2\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r{A}_e}{l_e}$

集成LC结构层间电容作为共模电容：

$C_{\mathrm{CM}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r{t}_1{l}_1}{d_1}$

式中，l₁为集成LC结构单层线圈导线的总长度。

单匝的集成LC结构作为差模电容：

$C_{\mathrm{DM}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r{t}_2{l}_2}{d_2}$

式中，l₂为单匝集成LC结构线圈的总长度。

上面详细描述了本发明的一个具体实例，但是应当理解，本发明的实施方式并不仅限于此，此实例仅用于帮助理解本发明。对本发明所作的各种变化实例，都应包含在本发明的范围内。本发明的专利保护范围应当有所附的权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种圆形PCB线匝构成的平面EMI滤波器集成模块，其特征在于包括壶型磁芯、共模电感层、共模集成LC结构、漏感层和差模电容，其中共模电感层包括共模电感层I(203)、共模电感层II(204)、共模电感层III(208)及共模电感层IV(209)，共模集成LC结构包括共模集成LC结构I(205)和共模集成LC结构II(207)，差模电容包括差模电容I(202)和差模电容II(210)；共模电感层I(203)、共模电感层II(204)及共模集成LC结构I(205)通过导线顺向串联在一起，形成一个左端顺向耦合结构，两个共模集成LC结构之间由漏感层(206)隔离，共模电感层III(208)、共模电感层IV(209)及共模集成LC结构II(207)通过导线顺向串联在一起，形成右端一个顺向耦合结构，差模电容I(202)的一个端口作为整个滤波器的输入端口，差模电容II(210)的一个端口作为整个滤波器的输出端，整个集成模块置于壶型磁芯(201)的内部。

2.根据权利要求1所述的圆形PCB线匝构成的平面EMI滤波器集成模块，其特征在于共模电感层包括单层PCB板(402)和平面螺旋线圈(401)，平面螺旋线圈置于单层PCB板上，所述的PCB板的板材为具有低介电常数的FR4，所述的平面螺旋线圈由同圆心的依次增大的半圆形PCB绕线首尾相接而构成。

3.根据权利要求书1所述的圆形PCB线匝构成的平面EMI滤波器集成模块，其特征在于共模集成LC结构包括双面的PCB板(302)、上层平面螺旋线圈(301)和下层平面螺旋线圈(303)，上层平面螺旋线圈和下层平面螺旋线圈分别置于双面的PCB板的上方和下方，所述的PCB板的板材采用介电常数为70-150的陶瓷材料NPO，所述的上层平面螺旋线圈和下层平面螺旋线圈分别由同圆心的依次增大的半圆形PCB绕线首尾相接而构成，上层平面螺旋线圈和下层平面螺旋线圈包含的半圆形PCB绕线匝数相同，并且完全对称。

4.根据权利要求书1所述的圆形PCB线匝构成的平面EMI滤波器集成模块，其特征在于差模电容I(202)包括双面PCB板(502)，上层平面螺旋线圈(501)和下层平面螺旋线圈(503)，上层平面螺旋线圈和下层平面螺旋线圈分别置于双面的PCB板的上方和下方，所述的PCB板的板材采用高介电常数10000-20000的陶瓷材料Y5V，所述的上层平面螺旋线圈和下层平面螺旋线圈均为单匝，且上下两层完全对称。

5.根据权利要求书1所述的圆形PCB线匝构成的平面EMI滤波器集成模块，其特征在于漏感层(206)采用高分子铁氧体复合磁材料。

6.根据权利要求书1所述的圆形PCB线匝构成的平面EMI滤波器集成模块，其特征在于壶型磁芯(201)采用型号为P43/30，其中壶型磁芯(201)的一半磨成平面型。

Images