CN101860337B - 一种基于磁集成的emi滤波器模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁集成的EMI滤波器模块，包括磁芯、共模电感层、共模集成感容结构、漏感层和差模电容，其中所述差模电容为叠片电容，所述共模电感层由一个单层平面螺旋线圈构成。本发明通过使用叠片电容作为差模电容，降低了对差模电容中介电材料要求，可以使用具有较好温度、频率敏感性但介电系数偏低的介电材料，从而克服了现有技术因使用高介电系数材料而产生的温度、频率高的问题，提升了EMI滤波器模块的性能稳定性；并通过使用单层螺旋线圈作为共模电感层进一步减小了EMI滤波器模块的体积。

Description

一种基于磁集成的EMI滤波器模块
技术领域
本发明涉及一种被动电子元器件，尤其是一种EMI滤波器模块。
背景技术
磁集成技术就是把开关电源中的所有主要磁性器件从结构上集中在一起，用一个磁性器件来实现，从而可以减小开关电源中器件的数量，减小开关电源的体积，提高开关电源的功率密度，使各磁件间的接触最短，损耗最小，输出滤波效果得以改善，以适应低压大电流开关电源，真正实现开关电源的“短、小、轻、薄”。目前，电力电子设备模块化、小型化，磁集成技术已成为当前研究的重点和热点。
传统的被动电子元件，包括电容、电感和电阻，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。同时，由于被动电子元件的寄生参数，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。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Rengang Chen设计了一种应用于开关电源系统的平面EMI滤波器，该滤波器由平面EI型磁芯、差模电容、共模集成LC结构及漏感层组成。利用一匝的平面LC结构作为差模电容，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。随着现代电力电子向高频方向发展，该平面EMI滤波器由于采用EI型磁芯，电流在直接拐角处分布很不均匀，而且构成平面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板采用高介电系数的陶瓷材料，陶瓷材料较脆，不易进行安装。
在一份中国发明专利申请(申请号为201010162165.0)中披露了一种圆形PCB线匝构成的平面EMI滤波器集成模块，该滤波器模块采用罐型磁芯代替了EI型磁芯，其他集成元件也相应的采用了圆形结构，从而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，同时由于罐型磁芯的闭合结构，减少了漏磁通，提高了整个滤波模块的滤波性能。但该平面EMI滤波器集成模块中的差模电容采用的是单层的平面电容，即两层导体层之间夹一层介质层，因为差模电容所需电容值较大，因此上述结构的电容需采用高介电系数的介电材料(介电系数为10000-20000)，但该类材料的介电系数随温度和频率变化很大，这对集成EMI滤波器的滤波性能造成严重的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可使用较低介电系数材料的基于磁集成的EMI滤波器模块，从而克服现有技术因使用高介电系数的陶瓷材料而导致的滤波性能受温度和频率变化影响较大的问题。
本发明的技术方案是在现有圆形PCB线匝构成的平面EMI滤波器集成模块的基础上，将构成差模电容的单层平面电容用多层的叠片电容代替，由于多层的叠片电容相当于多个单层平面电容并联，因此在所需电容一样的情况下，电容中的介电材料可使用较低介电系数的介电材料，由于低介电系数材料温度和频率敏感性较低，从而使整个滤波器模块的性能稳定性得到提升。
具体的说，本发明的技术方案如下：
一种基于磁集成的EMI滤波器模块，包括磁芯、共模电感层、共模集成感容结构、漏感层和差模电容，其中磁芯包括一只罐形磁芯和一只平板磁芯，差模电容包括差模电容Ⅰ和差模电容Ⅱ，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及共模电感层Ⅳ，共模集成感容结构包括共模集成感容结构Ⅰ和共模集成感容结构Ⅱ；共模电感层Ⅰ、共模电感层Ⅱ及共模集成感容结构Ⅰ通过导线顺向串联在一起，形成一个左端顺向耦合结构，两个共模集成感容结构之间由漏感层隔离，共模电感层Ⅲ、共模电感层Ⅳ及共模集成感容结构Ⅱ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模块的输出端，罐形磁芯及平板磁芯分别置于整个滤波器模块的两端，其特征在于：所述差模电容为叠片电容。
上述的叠片电容是目前新出现的一种电容器，它是将绝缘的介电材料层与电极层交错层叠为类似书本结构的电容，具体层叠数可根据所需的电容值及介电材料的介电系数选择。叠片电容相当于将多个电容器并联，具有体积小、容量大、电容容量易于调整的优点。
由于上述技术方案使用了叠片电容，相比单层片式电容，体积会有所增加，从而导致整个EMI滤波器模块体积增大，不利于电子元器件的小型化，为此，可以进一步使用单层螺旋电感线圈作为上述技术方案中的EMI滤波器模块中的共模电感层，从而减小整个EMI滤波器模块的体积。
本发明通过使用叠片电容作为差模电容，降低了对差模电容中介电材料要求，可以使用具有较好温度、频率敏感性但介电系数偏低的介电材料，从而克服了现有技术因使用高介电系数材料而产生的温度、频率高的问题，提升了EMI滤波器模块的性能稳定性；并通过使用单层螺旋线圈作为共模电感层进一步减小了EMI滤波器模块的体积。
附图说明
图1是本发明的基于磁集成的EMI滤波器模块的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式的等效电路图；
图3是本发明具体实施方式中差模电容的结构示意图；
图4是本发明具体实施方式中共模电感的结构示意图。
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：
一种基于磁集成的EMI滤波器模块，如附图1所示，包括磁芯、共模电感层、共模集成感容结构、漏感层和差模电容，其中磁芯包括一只罐形磁芯301和一只平板磁芯311，差模电容包括差模电容Ⅰ302和差模电容Ⅱ310，共模电感层包括共模电感层Ⅰ303、共模电感层Ⅱ304、共模电感层Ⅲ308及共模电感层Ⅳ309，共模集成感容结构包括共模集成感容结构Ⅰ305和共模集成感容结构Ⅱ307；共模电感层Ⅰ303、共模电感层Ⅱ304及共模集成感容结构Ⅰ305通过导线顺向串联在一起，形成一个左端顺向耦合结构，两个共模集成感容结构之间由漏感层306隔离，共模电感层Ⅲ308、共模电感层Ⅳ309及共模集成感容结构Ⅱ307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Ⅰ302的一个端口作为整个滤波器的输入端口，差模电容Ⅱ310的一个端口作为整个滤波器模块的输出端，罐形磁芯301及平板磁芯311分别置于整个滤波器模块的两端，其中，所述差模电容Ⅰ302、Ⅱ310均为叠片电容；所述共模电感层Ⅰ303、Ⅱ304、Ⅲ308、Ⅳ309的结构相同，均由一个单层平面螺旋线圈构成。
本具体实施方式中，差模电容Ⅰ302、Ⅱ310相同，均为双层叠片陶瓷电容，其中差模电容Ⅰ302的结构如附图3所示，包括导体层和介质层，导体层和介质层交错排列，整个差模电容为一个带有缺口的圆环结构，在缺口两端导体层Ⅰ和Ⅲ相连，作为端子A1和C1，导体层Ⅱ和Ⅳ相连，作为端子B1和D1，A1B1作为差模电容的一个端口，C1D1作为差模电容的另一个端口；差模电容Ⅱ310的结构与差模电容Ⅰ302的结构相同，在缺口两端导体层Ⅰ和Ⅲ相连，作为端子A2和C2，导体层Ⅱ和Ⅳ相连，作为端子B2和D2，  A2B2作为差模电容的一个端口，C2D2作为差模电容的另一个端口。所述的介质层采用介电系数为70-150的陶瓷材料。
本具体实施方式中，共模电感层Ⅰ303、Ⅱ304、Ⅲ308、Ⅳ309均为如附图4所示的单层平面螺旋线圈，该平面螺旋线圈由同圆心的依次增大的半圆形绕线首尾相接而构成，相邻两个单层平面螺旋线圈顺向耦合串联连接。
本发明的EMI滤波器的等效电路图如附图2所示。
本发明的基于磁集成的EMI滤波器模块中其他部分的结构及其原理与现有技术基本相同，具体可参考申请号为201010162165.0的中国发明专利说明书以及文献[Rengang Chen.Integrated EMI filters for switch mode power supplies[D]，USA：VirginiaPolytechnic Institute and State University，2004]，此处不再赘述。
上述仅为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保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于磁集成的EMI滤波器模块，包括磁芯、共模电感层、共模集成感容结构、漏感层和差模电容，其中磁芯包括一只罐形磁芯(301)和一只平板磁芯(311)，差模电容包括差模电容I(302)和差模电容II(310)，共模电感层包括共模电感层I(303)、共模电感层II(304)、共模电感层III(308)及共模电感层IV(309)，共模集成感容结构包括共模集成感容结构I(305)和共模集成感容结构II(307)；共模电感层I(303)、共模电感层II(304)及共模集成感容结构I(305)通过导线顺向串联在一起，形成一个左端顺向耦合结构，两个共模集成感容结构之间由漏感层(306)隔离，共模电感层III(308)、共模电感层IV(309)及共模集成感容结构II(307)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(302)的一个端口作为整个滤波器的输入端口，差模电容II(310)的一个端口作为整个滤波器模块的输出端，罐形磁芯(301)及平板磁芯(311)分别置于整个滤波器模块的两端，其特征在于：所述差模电容为叠片电容；所述共模电感层I(303)、II(304)、III(308)、IV(309)均为单层平面螺旋线圈，所述单层平面螺旋线圈由同圆心的依次增大的半圆形绕线首尾相接而构成，相邻两个单层平面螺旋线圈顺向耦合串联连接。
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