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摘要：开关电源具有经济、轻便、高效等优点，已广泛应用于社会和民众生活中。但是，开关电源在运行过程中会因为各方面的原因而产生电磁噪声，从而影响电子电路信号的完整性。近年来，学者们发现EMI滤波器CM和DM电路传导电磁噪声有着很好的抑制效果，从而使开关电源稳定并高效工作。因此，EMI滤波器的设计是目前关于开关电源降低电磁噪声的研究热点之一。在EMI滤波器工作原理的基础上利用CM设计方法设计了EMI滤波器的磁芯。首先依据磁芯材料的特性确定了磁芯材料的选择;然后介绍了EMI滤波器中CM电感的具体设计步骤;最后通过设计实例分析，针对不同形状的磁芯分别进行了铁氧体材料成分的选择和磁芯绕组线圈的计算。所提出的EMI滤波器的磁芯设计方法只需以对应的工作频率为基础进行设计，无需复杂的计算，对EMI滤波器磁芯的选择和设计具有一定参考价值。
Selection and Design of Magnetic Core of Switching Power Supply EMI Filter
Yao Linjie，Wang Yaobin，Jiang Wei，Yang Jinchao，Yuan Hongbing ( Zhuzhou HONGDA MAG-ELECTRIC Technology Co.，Ltd.，Zhuzhou，Hunan 412011.China )Abstract：Switching power supply has the advantages of economy，lightness and high efficiency，and has been widely used in society and people's life.However，during the operation of the switching power supply，electromagnetic noise will be generated for various reasons，which will affect the integrity of the electronic circuit signal.In recent years，scholars have found that EMI filter CM and DM circuits have a good suppression effect on conducted electromagnetic noise，so that the switching power supply can work stably and efficiently.Therefore，the design of EMI filter is one of the research hotspots about reducing electromagnetic noise in switching power supply.Based on the working principle of EMI filter，the magnetic core of EMI filter is designed by CM design method.First，the selection of magnetic core material is determined according to the characteristics of magnetic core material，and then the specific design of CM inductance in EMI filter is introduced.Finally， through the analysis of design examples，the selection of ferrite material components for different shapes of magnetic cores and the calculation of core winding coils are carried out. The magnetic core design method of the EMI filter proposed only needs to be designed based on the corresponding operating frequency without complicated calculation，which has certain reference value for the selection and design of the magnetic core of the EMI filter.
Key words：EMI filter;switching power supply;magnetic core
0 引言
众所周知，所有电子设备都需要稳定并且安全的电源。20世纪50年代，NASA(National Aeronautics and Space Administration，美国国家航空航天局)为了搭载火箭更加轻便而开发设计了开关电源。随着近几十年科学技术的日渐发展，开关电源凭借经济、轻便、效率高的优点被广泛应用于交流电网和电子设备中[1] 。开关电源电路中很容易产生传导性电磁噪声，从而会严重影响其他电子设备的正常工作。为了减少、控制和消除EMI污染，FCC(Federal Communications Commission，美国联邦通信委员会)于20世纪80年代制定了早期的控制EMI的标准(如MIL- STD- 461B等)。近十年来，我国也根据美国控制EMI的相关标准制定了我国控制EMI的国家标准(如GJB151—86等)。因此，如何解决开关电源中的EMI问题是近年来学者们的研究方向之一。为了减少开关电源中电子电路产生的电磁噪声，可以在开关电源中采用EMI滤波器，这样做不仅可以有效防止外部电磁噪声干扰电源设备控制电路及负载运行，还可以抑制开关电源自身产生的EMI及其他设备产生的EMI，从而保证开关电源及其他设备的稳定运行[2 -3] 。在此基础上，相关工作人员可以根据开关电源，从共模传导和差模传导为切入点，同时结合EMI滤波器的原理，进行开关电源EMI滤波器的设计[4] 。相比于以往文献单一地使用一种形状的磁芯进行设计，本文详细介绍了开关电源EMI滤波器中CM电感的设计方法，并根据设计指标对环形、DS型、EE型这3种磁芯形状进行设计实例分析，为EMI 滤波器磁芯设计 者们选择最适合其需求的铁氧体材料及形状提供了参考。
1 EMI 滤波器的工作原理
开关电源会产生CM 和DM 两种噪声，如图1所示。 由图可知，CM 噪声的两信号不仅相等且相位同步，DM 噪声和输入电力的路径完全相同。
为了抑制EMI，典型的EMI滤波器包括CM电感、DM电感和X、Y电容。其中CM电感和Y电容能够有效抑制CM噪声，DM电感和X电容则能够有效抑制DM噪声，Y电容和CM电感能削弱CM噪声[5] 。此时电感在高频噪声的作用下会变成高阻抗，而当电容到地的阻抗变。
2 EMI 滤波器磁芯材料的选择
由于CM 电感在使用过程中会出现CM 干扰，这对设备的影响是很大的，而铁氧体材料对这种干扰有着很好的吸附效果，这能维持设备稳定运行[7]。所以在进行 CM 电感设计时通常选择铁氧体材料，而铁氧体材料又 可以划分为Ni-Zn 铁氧体和Mn-Zn 铁氧体，其中Ni-Zn 铁氧体具有高频、宽频、高阻抗、低损耗的特点，主要 用于无声噪声且其中频率大于10 MHz 或20 MHz 占主要 成分的情况下。与Ni-Zn 铁氧体相比，Mn-Zn 铁氧体则能在低频下提供比较高的磁导率，且十分适合频率 在10 kHz ~50 MHz 范围内的EMI 抑制[8-9 ] 。因此，本文CM 电感的材料选择使用具有高磁导率的Mn-Zn 铁氧体 材料。
3 不同磁芯形状下CM 电感的设计
确定了CM 电感使用的铁氧体材料后，解决EMI 问题的下一步就是确定铁氧体磁芯的形状[10]，高磁导率铁 氧体有很多形状：环形磁芯、EE 磁芯、壶形磁芯、DS 磁芯和ER 磁芯等。下面针对不同磁芯形状进行共模滤 波器的设计。
CM 电感设计的设计指标通常是RMS 输入电流、阻抗和工作频率[11] 。其中，磁芯所选的电线尺寸一般是由 RMS 输入电流所决定的，400 A/cm2 是计算电线尺寸的 常规设计值，与此同时，可以根据电感的温升进行相应 的一些修改。或者可以采用单根铜绞线，因为其成本 最低。
在设计指标给定的工作频率下，CM 电感自身具有 一个最小值的阻抗，这个阻抗可以与传输阻抗共同消除 噪声。但由于传输阻抗未知，因此通常使用一个功率为 50 W 的传输阻抗对滤波器进行测试，该方法是测试滤波 器性能好坏的通用方法。
CM 电感的电感量则是由工作频率所决定，通过公 式可以直接计算：
中：Z 为阻抗;f 为工作频率。
计算得到电感量后，对CM 电感的设计部分则还剩下磁芯的选择和线圈匝数的计算。具体的步骤如下。
( 1 ) 首先是合理选择磁芯的大小，如果设计时对磁芯大小有实际要求，则需要在进行绕线后选择在要求内 的磁芯。若磁芯的大小选择没有限制，那么可以在满足设计要求的情况下选择磁芯大小。
(2 ) 接下来需要对磁芯匝数的最大值进行计算，通常，传输电流的内周长的计算是用磁芯内径减去电线的 半径，然后计算所有线圈占的总周长比，最后除以电线 直径(包括绝缘层)可以得到线圈匝数的最大值。需要 注意的是，线圈之间存在一定的隔离距离，每个线圈约占内周长的150°~170°。
(3 ) 确定了线圈匝数的最大值后，最后是要确定使
用哪种磁芯材料。磁芯材料的确定要考虑的条件有很多， 例如工作频率范围、温度、成本等。但是，一般最先考 虑的问题是要对所选择的磁芯尺寸进行核对，然后再解 决其他相关问题。在实际计算中，通常会先使用一个中 等磁导率的磁芯材料计算电感。
铁氧体磁芯的厂家一般都会列出磁芯的AL (电感因 子)，这为计算电感提供了便利，已知匝数与电感的关 系为：
式中：N 为匝数;L 为电感，mH;A L 为电感因子。
可以根据式(2 ) 来进行最小电感的计算，在设计 实例中，如果计算得到的最小电感对于设计要求来说太 小了，可以选择更换一个磁导率高一些的材料或选择一 个大一点的磁芯。
4 设计实例分析
基于本文介绍的CM 电感设计方法，以下进行了不 同形状的磁芯关于铁氧体材料成分的选择和磁芯绕组线圈的计算。
4.1 环形磁芯
使用环形磁芯设计CM 电感，设计指标如表1所示。
其中磁芯42206-TC的形状及部分参数如图3和表2所示。
设计步骤如下。
(1)选择磁芯需要使用的电线：由计算可知：在450 A / cm2的电场中，3A的电线面积0. 007 5 cm2.所以可以选择电线直径为1 mm、面积为0. 007 5 cm2的AWG19导线。
显然结果比要求的1. 194 mH要低，故需要对磁芯的材料或者线圈匝数进行相应调整。众所周知，具有较大内部周长的磁芯可绕线的匝数也较多，所以具有较高磁导率的磁芯材料会提高电感，面积较小的电线则能让磁芯可绕线的匝数更多，如果保持42206- TC的尺寸不变，那么需要对磁芯的每个材料进行匝数的重新计算：
由计算结果可知：如果继续使用J材料，则需要选择一个较小的电线，W和H材料都适合原始尺寸，可以满足设计需求。
4. 2 DS型磁芯使用
DS型磁芯设计CM电感，设计指标如表3所示。
设计步骤如下：
(1)选择磁芯需要使用的电线：由计算可知：在450 A / cm2的电场中， 3A的电线面积为0. 007 5 cm2.所以可以选择电线直径为1 mm、面积为0. 007 5 cm2的AWG19导线。
显然结果比要求的0. 796 mH要低，同样地，需要对磁芯的每个材料或者匝数进行相应调整。对每个材料重新进行匝数计算：
通过计算结果可得：如果继续使用ACP40材料，则需要一个直径较小的电线，ACP95材料需要的匝数仅比步骤(4)计算的可能匝数的最大值稍大一点，可以在磁芯尝试下再决定是否使用直径较小的电线。
4. 3 EE型磁芯
另外还有一种共模扼流圈，它比环形磁芯线圈更容易绕制，使用EE型磁芯设计CM电感，设计指标如表5所示。
首先测量没有接入滤波器时，负载50 Ω 上的电压V1 。再测量接入滤波器后，负载50 Ω 上的电压V2.最后通过频谱分析仪将20 log ( V1/V2 ) 随频率变化的结果显示在屏幕上或通过接口打印出来[12]。测量时需要注意， 滤波器的输入端和输出端是并联的，目的是取得共模插 入损耗的平均值。尽管滤波器的Cy 电容量的标称值和误 差等级一样，其实际值也不完全一样，电感尽管绕组匝数一样，但磁芯的磁导率误差和工艺上也很难实现在绕 制和装配时完全对称，因此测试时通常采用平均值[13] 。
5 结束语
以往文献在进行EMI 滤波器时，通常只会选择单一 的形状进行设计，本文关于EMI 滤波器磁芯的设计主要 是在确定使用锰锌铁氧体材料的基础上对不同形状的磁 芯进行了铁氧体材料成分的选择和绕组线圈的计算。基于此，设计者们在进行关于EMI 滤波器的设计时可以根 据生产需求选择磁芯形状和材料。因此本文所做工作对 于EMI 滤波器的研究和应用具有一定参考价值。但是， 本文关于EMI 滤波器磁芯的设计仅描述了磁芯材料和形 状的选择，还有许多其他的细节可供研究者们探讨，例如共模滤波器工作在十分宽的频率范围，所以在进行设计时必须考虑材料在拐点之外的性能[14]。此外，温度对 大多数铁氧体材料都有影响，共模滤波器的设计者最感 兴趣的是温度对磁芯的磁导率和磁通密度的影响[15]，大 部分材料的磁导率会随着温度的上升而增大，而磁通密 度会随着温度的降低而减小[16] 。另外，所有磁性材料都有一个居里温度，在此温度磁性会消失[15]。因此下一步 可以着重考虑关于EMI 滤波器设计时的温度问题。
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