抗EMI磁性濾波器：原理·應用·展望
1 前言
隨著各種電子設備、電視網絡、程控交換機、移動通信機及辦公自動化的日益普及，電子系統中的電磁環境越來越復雜，電磁干擾（EMI）現象日益嚴重，并且成為影響系統正常工作的突出障礙。美國是世界上最先感受到電磁污染引起潛在問題的國家之一，為了減小、抑制和消除電磁干擾，美國聯邦通訊委員會（FCC）在1980年代初就制定了強制實施的控制電磁干擾的極限以及相應的標準（MIL-STD-461B等）。近幾年，我國也在逐步等同采用或等效采用美國這方面的標準，并制定了我國的國家標準（GJB151-86等），把電磁兼容問題也提到了議事日程上[1]。
電磁干擾按其能量傳播的方式可分為輻射干擾和傳導干擾兩種。對于輻射干擾，采用屏蔽技術來消除效果最好；而對于傳導干擾，采用磁性濾波器件來消除、抑制則是最有效和最經濟的方法。并且將抗EMI元器件安置到盡可能靠近干擾源的地方，還可有效減少輻射干擾的產生。
抗EMI磁性器件按其抑制或吸收傳導干擾的工作原理又可分為吸收式抗EMI濾波器和組合式抗EMI濾波器。本文即對這兩類抗EMI濾波器件的工作原理、常見類型及適用場合作一闡述，并簡要論述近年來抗EMI濾波器發展的熱點及預測其發展的趨勢。
2 吸收式抗EMI濾波器
吸收式抗EMI濾波器在結構上相當于一個繞線或穿心的磁芯線圈，這類濾波器主要是利用磁性材料的阻抗頻率特性來達到抑制EMI的目的。我們知道，當將一磁導率為
的磁芯插入電感量為L0的線圈中（假設忽略線圈的損耗），則該線圈的復數阻抗Z可表示為：
式中，
等效于電阻；等效于電抗；
為角頻率；
、
分別為磁芯磁導率的實部、虛部。
在材料的截止頻率以下，＞，阻抗主要由貢獻，而當工作頻率超過材料的截止頻率以后，急劇下降，而下降到一定程度以后變化逐漸緩慢，遠大于，此時阻抗主要由貢獻。并且由于阻抗與角頻率
成正比，磁導率下降對阻抗的降低效果小于頻率上升對阻抗的升高效果，因此隨頻率的提高，阻抗仍在不斷升高，直到由于分布電容影響，構成了低阻抗的通道及材料磁導率虛部進一步下降，阻抗才達到一峰值后開始緩慢下降。總的來說，磁芯線圈在高頻段時的阻抗遠大于其在低頻段的阻抗。磁芯線圈阻抗的頻率特性如圖1所示。這樣，對于頻率低于磁性材料截止頻率的有用信號，磁芯線圈僅相當于一個低阻抗的電感器，信號很容易通過。而對于高頻段的干擾，磁芯線圈的阻抗很大，成為一個高效的干擾衰減器。
吸收式抗EMI濾波器在結構上相當于一個繞線或穿心的磁芯線圈，這類濾波器主要是利用磁性材料的阻抗頻率特性來達到抑制EMI的目的。我們知道，當將一磁導率為
的磁芯插入電感量為L0的線圈中（假設忽略線圈的損耗），則該線圈的復數阻抗Z可表示為：式中，
等效于電阻；等效于電抗；為角頻率；、分別為磁芯磁導率的實部、虛部。在材料的截止頻率以下，
＞，阻抗主要由貢獻，而當工作頻率超過材料的截止頻率以后，急劇下降，而下降到一定程度以后變化逐漸緩慢，遠大于，此時阻抗主要由貢獻。并且由于阻抗與角頻率成正比，磁導率下降對阻抗的降低效果小于頻率上升對阻抗的升高效果，因此隨頻率的提高，阻抗仍在不斷升高，直到由于分布電容影響，構成了低阻抗的通道及材料磁導率虛部進一步下降，阻抗才達到一峰值后開始緩慢下降。總的來說，磁芯線圈在高頻段時的阻抗遠大于其在低頻段的阻抗。磁芯線圈阻抗的頻率特性如圖1所示。這樣，對于頻率低于磁性材料截止頻率的有用信號，磁芯線圈僅相當于一個低阻抗的電感器，信號很容易通過。而對于高頻段的干擾，磁芯線圈的阻抗很大，成為一個高效的干擾衰減器。 
在吸收式抗EMI濾波器中，磁芯線圈作為干擾信號的衰減器，一般都是跟信號源、負載串聯使用的。其等效電路如圖2所示。鐵氧體元器件對EMI信號的衰減（插入損耗），按下式計算：
其中ZA為信號源阻抗，ZF為鐵氧體磁芯阻抗，ZB為負載阻抗。在需要衰減的EMI頻段，鐵氧體的阻抗ZF比信號源阻抗和負載阻抗ZB在數量級上高很多，因此，通常情況下，衰減量都很大，甚至可把衰減公式近似為
一般來說，為了達到最佳的干擾濾除效果，希望吸收式抗EMI濾波器在干擾的中心頻段具有最大的阻抗值，而濾波器阻抗的峰值頻率點一般又與磁芯材料的截止頻率成正比，即與磁芯材料的起始磁導率成反比。因此，為了滿足濾除不同頻段電磁干擾的要求，用于吸收式抗EMI濾波器的材料必須加以系列化。圖3為Ferroxcube公司抗EMI濾波器系列材料的阻抗頻率曲線[2]，可見，對于不同的抗EMI材料具有不同的阻抗峰值頻率點，分別針對濾除不同頻段的干擾。
一般來說，為了達到最佳的干擾濾除效果，希望吸收式抗EMI濾波器在干擾的中心頻段具有最大的阻抗值，而濾波器阻抗的峰值頻率點一般又與磁芯材料的截止頻率成正比，即與磁芯材料的起始磁導率成反比。因此，為了滿足濾除不同頻段電磁干擾的要求，用于吸收式抗EMI濾波器的材料必須加以系列化。圖3為Ferroxcube公司抗EMI濾波器系列材料的阻抗頻率曲線[2]，可見，對于不同的抗EMI材料具有不同的阻抗峰值頻率點，分別針對濾除不同頻段的干擾。
吸收式抗EMI濾波器按其具體用途可分為小信號濾波器、中間(intermediate)濾波器和電源濾波器三大類。小信號濾波器主要用于吸收多股并行信號傳輸線上附加的干擾，如交換機數據聯線、計算機主機-顯示器聯線、主機-驅動器聯線干擾等等。此類濾波器一般制作成多孔平板狀或扁平盒狀，每條信號線相當于都通過了一個單匝的磁芯。對于不同的干擾頻段，要求濾波器具有不同的阻抗峰值頻率點，這可通過選擇不同的材料來實現，而阻抗的大小則主要由磁芯的長度來控制。
對于中間濾波器，其安置的位置頗有講究。如果已知道某個元件是干擾產生的源，如晶體管或MOS管引起的過沖現象，可將濾波器做成引腳磁珠，直接安置在晶體管或MOS管的引腳上，以盡可能地防止干擾的傳播。如果引起干擾的元件不易確定，但是干擾傳輸的途徑能夠明確，如高速數字時鐘線，則可將濾波器制作成穿心磁珠或SMD磁珠，連接在干擾傳輸線上，達到抑制干擾的目的。為了進一步提高濾波能力，還可采取繞多匝線圈或添加旁路電容的方式來實現。如果只知道干擾由某塊PCB板產生，則濾波器需安裝在此PCB板與系統其它部分所連接的線路上，這也可采用穿心磁珠來實現，如果需要更大的阻抗，還可采用多孔磁珠，讓線路按一定規則穿過多孔，直到滿足阻抗要求為止[2]。此外，還有一類寬頻帶扼流圈也屬于此類濾波器，一般為環形，讓所有可能產生干擾的線路都穿過或繞制在磁芯上面，它的優點是寬頻帶及高阻抗，這種扼流圈要特別注意各線路之間的相互絕緣及有效降低分布電容。
對于電源濾波器件，由于線路上通過的電流一般較大，所以要特別注意磁芯的飽和問題。這類濾波器包括開關電源中應用的共模扼流圈、電源線路扼流圈等等。電源共模扼流圈的結構如圖4所示。雖然差模電流能夠相互補償，但在實際生產中，兩個繞組不可能做到完全對稱，使得L1和L2的電感量不相等，從而也會對磁芯產生一定的偏置效果，因此也應該注意磁芯的飽和現象，最好選擇Bs較大的磁芯來制作。L1和L2的差值（L1－L2）形成的差模漏電感Le和Cx電容器同時也組成L-N獨立端口間的一只低通濾波器，在一定程度上也可抑制電源線上存在的差模EMI信號。對于電源線路上專門的差模扼流圈，由于承受的偏置電流大，目前最理想的材料是選擇復合磁粉芯，它是將金屬軟磁粉末經絕緣包裹壓制退火而成，相當于把一集中的氣隙分散成微小孔穴均勻分布在磁芯中，不但材料的抗飽和強度增大，而且磁芯的電阻率比金屬軟磁材料增大了幾個數量級，從而可應用在較高的頻段內。磁粉芯的起始磁導率不是很高，為了獲得高阻抗，可通過增加匝數來實現。
對于中間濾波器，其安置的位置頗有講究。如果已知道某個元件是干擾產生的源，如晶體管或MOS管引起的過沖現象，可將濾波器做成引腳磁珠，直接安置在晶體管或MOS管的引腳上，以盡可能地防止干擾的傳播。如果引起干擾的元件不易確定，但是干擾傳輸的途徑能夠明確，如高速數字時鐘線，則可將濾波器制作成穿心磁珠或SMD磁珠，連接在干擾傳輸線上，達到抑制干擾的目的。為了進一步提高濾波能力，還可采取繞多匝線圈或添加旁路電容的方式來實現。如果只知道干擾由某塊PCB板產生，則濾波器需安裝在此PCB板與系統其它部分所連接的線路上，這也可采用穿心磁珠來實現，如果需要更大的阻抗，還可采用多孔磁珠，讓線路按一定規則穿過多孔，直到滿足阻抗要求為止[2]。此外，還有一類寬頻帶扼流圈也屬于此類濾波器，一般為環形，讓所有可能產生干擾的線路都穿過或繞制在磁芯上面，它的優點是寬頻帶及高阻抗，這種扼流圈要特別注意各線路之間的相互絕緣及有效降低分布電容。
對于電源濾波器件，由于線路上通過的電流一般較大，所以要特別注意磁芯的飽和問題。這類濾波器包括開關電源中應用的共模扼流圈、電源線路扼流圈等等。電源共模扼流圈的結構如圖4所示。雖然差模電流能夠相互補償，但在實際生產中，兩個繞組不可能做到完全對稱，使得L1和L2的電感量不相等，從而也會對磁芯產生一定的偏置效果，因此也應該注意磁芯的飽和現象，最好選擇Bs較大的磁芯來制作。L1和L2的差值（L1－L2）形成的差模漏電感Le和Cx電容器同時也組成L-N獨立端口間的一只低通濾波器，在一定程度上也可抑制電源線上存在的差模EMI信號。對于電源線路上專門的差模扼流圈，由于承受的偏置電流大，目前最理想的材料是選擇復合磁粉芯，它是將金屬軟磁粉末經絕緣包裹壓制退火而成，相當于把一集中的氣隙分散成微小孔穴均勻分布在磁芯中，不但材料的抗飽和強度增大，而且磁芯的電阻率比金屬軟磁材料增大了幾個數量級，從而可應用在較高的頻段內。磁粉芯的起始磁導率不是很高，為了獲得高阻抗，可通過增加匝數來實現。
3 組合式抗EMI濾波器
組合式抗EMI濾波器又稱為反射式濾波器或復合LC型濾波器。它是利用巴特奧斯或切比雪夫濾波器的設計原理和理論，根據在交流狀態下電容的通高頻阻低頻、電感的通低頻阻高頻的特性，將電感和電容組合連接成電路，使其具有一定的濾波功能。濾波要求不同，選用的LC組合及對電感和電容值的要求也不同。
復合LC噪聲濾波器電路通常采用
型、T型及
型電路及它們的組合等，使濾波器對信號源阻抗匹配，讓所需要的信號幾乎無衰減地通過，而對高頻干擾呈現大的阻抗失配，使由信號源傳導到濾波器輸入端的干擾大多數被反射回源，而由濾波器輸出端反向傳輸的高頻干擾也被反射回負載。由于其所具有的雙向抑制性，在實際應用時，要使濾波器的端口處與源端和負載端產生最大的阻抗失配，這樣才能使濾波器對電磁干擾的衰減等于自身網絡的衰減再加上輸入和輸出端口所產生的反射。因此，在濾波器結構的選擇上，必須充分考慮源端阻抗和負載阻抗的情況。對于常用的π型、T型及Γ型組合式濾波器，其結構選擇的規律如圖5所示。
組合式抗EMI濾波器又稱為反射式濾波器或復合LC型濾波器。它是利用巴特奧斯或切比雪夫濾波器的設計原理和理論，根據在交流狀態下電容的通高頻阻低頻、電感的通低頻阻高頻的特性，將電感和電容組合連接成電路，使其具有一定的濾波功能。濾波要求不同，選用的LC組合及對電感和電容值的要求也不同。
復合LC噪聲濾波器電路通常采用
型、T型及型電路及它們的組合等，使濾波器對信號源阻抗匹配，讓所需要的信號幾乎無衰減地通過，而對高頻干擾呈現大的阻抗失配，使由信號源傳導到濾波器輸入端的干擾大多數被反射回源，而由濾波器輸出端反向傳輸的高頻干擾也被反射回負載。由于其所具有的雙向抑制性，在實際應用時，要使濾波器的端口處與源端和負載端產生最大的阻抗失配，這樣才能使濾波器對電磁干擾的衰減等于自身網絡的衰減再加上輸入和輸出端口所產生的反射。因此，在濾波器結構的選擇上，必須充分考慮源端阻抗和負載阻抗的情況。對于常用的π型、T型及Γ型組合式濾波器，其結構選擇的規律如圖5所示。
在組合式抗EMI濾波器中，由于其電容和電感在高頻時容易受到分布參數的影響，甚至發生諧振現象，使濾器插損性能急劇下降，因此，它一般只適用于抑制頻率相對較低的干擾。但其濾波效果可通過調整電感電容值或濾波階數來改變，因而在抑制頻率不是太高的干擾時，組合式濾波器能夠產生更佳的除噪效果，適用于對付強大的噪聲及需要充分去除噪聲的地方，并且其抑制噪聲的頻段變化也很靈活，針對性可以很強。吸收式濾波器由于消除了器件分布參數的作用，能夠很好地保證其高頻插損性能，因此多用于抑制高頻的干擾，如果將組合式濾波器和吸收式濾波器適當串聯使用，則可滿足系統寬帶內的高性能插損指標。
4 抗EMI濾波器的發展趨勢
電子系統的小型輕量化的發展，促使抗EMI濾波器也不斷朝小型化、片式化方向發展。多層片式抗EMI器件就是近年來隨著高密度表面組裝技術（SMT）的發展而發展起來的一種新型表面貼裝元件（SMD），由于其小型化的潛力很大，成為近年來研究和開發的熱點。這些抗EMI元器件包括片式磁珠型EMI/RFI抑制器、片式電感器、片式組合式（LC型等）濾波器、片式扼流圈等。在尺寸上，美國已制定出相關的標準，如1008(1.0mm×0.8mm)，0805，0603，2012等型號。由于這類抗EMI器件對采用的鐵氧體材料有特殊的要求，不僅要求其燒結溫度低、電阻率高、而且要不與內導體發生反應，因此，近年來人們花費了大量的精力和財力研究降低該系統材料的燒結溫度以及改進其電磁性能，取得了不少有價值的成果[3~6]。隨著片式抗EMI器件尺寸的進一步縮小，如何在小尺寸濾波器上獲得大的電感量或阻抗值將是今后需重點研究的內容。另外，為適應IC電路小型化精密印制板電路抗EMI的需求，對薄膜型組合式濾波器的研究也逐漸增多。上世紀90年代后期，美國泰克公司、日本東北大學先后開發出薄膜π型和薄膜LC抗EMI濾波器，使用頻段在1～1000MHz之間，最大插損達到25dB。由于這種抗EMI器件完全采用薄膜工藝來完成，有望實現更高的集成度。
此外，一些新型磁性材料的應用，也為抗EMI濾波器的發展注入了新的活力。納米晶軟磁合金，如Finemet具有與鈷基非晶磁性合金相匹敵的高磁導率(μ≥16000)，還具有與鐵基非晶合金相近的高飽和磁通密度(Bs≈1.35T)，TC≈570℃，高溫下的磁穩定性很好，非常適合用作共模扼流圈及零相電抗器等[7]，性能遠優于傳統材料制作的相應濾波器件。但目前此類材料的成本較高，成為其發展的最大障礙，如何有效降低此類材料的生產成本，將是決定其能否走向產業化的關鍵。另外，隨著電子系統高頻化的發展，電磁干擾的頻段也越來越高，為了抑制更高頻段的干擾，具有更高使用頻段的Co2Z材料，復合(磁、介電)雙性材料也將逐漸應用在抗EMI器件中。尤其是復合雙性材料，在高頻下既可利用其軟磁特性制作電感，也可利用其介電特性制作電容，因此非常適合于組合式抗EMI濾波器的制作。
總之，磁性濾波器的發展始終是順應電子系統的發展趨勢的。如何進一步實現濾波器的小型化、集成化、高效化將是今后很長一段時間內不變的研究和發展主題。
電子系統的小型輕量化的發展，促使抗EMI濾波器也不斷朝小型化、片式化方向發展。多層片式抗EMI器件就是近年來隨著高密度表面組裝技術（SMT）的發展而發展起來的一種新型表面貼裝元件（SMD），由于其小型化的潛力很大，成為近年來研究和開發的熱點。這些抗EMI元器件包括片式磁珠型EMI/RFI抑制器、片式電感器、片式組合式（LC型等）濾波器、片式扼流圈等。在尺寸上，美國已制定出相關的標準，如1008(1.0mm×0.8mm)，0805，0603，2012等型號。由于這類抗EMI器件對采用的鐵氧體材料有特殊的要求，不僅要求其燒結溫度低、電阻率高、而且要不與內導體發生反應，因此，近年來人們花費了大量的精力和財力研究降低該系統材料的燒結溫度以及改進其電磁性能，取得了不少有價值的成果[3~6]。隨著片式抗EMI器件尺寸的進一步縮小，如何在小尺寸濾波器上獲得大的電感量或阻抗值將是今后需重點研究的內容。另外，為適應IC電路小型化精密印制板電路抗EMI的需求，對薄膜型組合式濾波器的研究也逐漸增多。上世紀90年代后期，美國泰克公司、日本東北大學先后開發出薄膜π型和薄膜LC抗EMI濾波器，使用頻段在1～1000MHz之間，最大插損達到25dB。由于這種抗EMI器件完全采用薄膜工藝來完成，有望實現更高的集成度。
此外，一些新型磁性材料的應用，也為抗EMI濾波器的發展注入了新的活力。納米晶軟磁合金，如Finemet具有與鈷基非晶磁性合金相匹敵的高磁導率(μ≥16000)，還具有與鐵基非晶合金相近的高飽和磁通密度(Bs≈1.35T)，TC≈570℃，高溫下的磁穩定性很好，非常適合用作共模扼流圈及零相電抗器等[7]，性能遠優于傳統材料制作的相應濾波器件。但目前此類材料的成本較高，成為其發展的最大障礙，如何有效降低此類材料的生產成本，將是決定其能否走向產業化的關鍵。另外，隨著電子系統高頻化的發展，電磁干擾的頻段也越來越高，為了抑制更高頻段的干擾，具有更高使用頻段的Co2Z材料，復合(磁、介電)雙性材料也將逐漸應用在抗EMI器件中。尤其是復合雙性材料，在高頻下既可利用其軟磁特性制作電感，也可利用其介電特性制作電容，因此非常適合于組合式抗EMI濾波器的制作。
總之，磁性濾波器的發展始終是順應電子系統的發展趨勢的。如何進一步實現濾波器的小型化、集成化、高效化將是今后很長一段時間內不變的研究和發展主題。
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