抗EMI磁性滤波器：原理·应用·展望
1 前言
随着各种电子设备、电视网络、程控交换机、移动通信机及办公自动化的日益普及，电子系统中的电磁环境越来越复杂，电磁干扰（EMI）现象日益严重，并且成为影响系统正常工作的突出障碍。美国是世界上最先感受到电磁污染引起潜在问题的国家之一，为了减小、抑制和消除电磁干扰，美国联邦通讯委员会（FCC）在1980年代初就制定了强制实施的控制电磁干扰的极限以及相应的标准（MIL-STD-461B等）。近几年，我国也在逐步等同采用或等效采用美国这方面的标准，并制定了我国的国家标准（GJB151-86等），把电磁兼容问题也提到了议事日程上[1]。
电磁干扰按其能量传播的方式可分为辐射干扰和传导干扰两种。对于辐射干扰，采用屏蔽技术来消除效果最好；而对于传导干扰，采用磁性滤波器件来消除、抑制则是最有效和最经济的方法。并且将抗EMI元器件安置到尽可能靠近干扰源的地方，还可有效减少辐射干扰的产生。
抗EMI磁性器件按其抑制或吸收传导干扰的工作原理又可分为吸收式抗EMI滤波器和组合式抗EMI滤波器。本文即对这两类抗EMI滤波器件的工作原理、常见类型及适用场合作一阐述，并简要论述近年来抗EMI滤波器发展的热点及预测其发展的趋势。
2 吸收式抗EMI滤波器
吸收式抗EMI滤波器在结构上相当于一个绕线或穿心的磁芯线圈，这类滤波器主要是利用磁性材料的阻抗频率特性来达到抑制EMI的目的。我们知道，当将一磁导率为
的磁芯插入电感量为L0的线圈中（假设忽略线圈的损耗），则该线圈的复数阻抗Z可表示为：
式中，
等效于电阻；等效于电抗；
为角频率；
、
分别为磁芯磁导率的实部、虚部。
在材料的截止频率以下，＞，阻抗主要由贡献，而当工作频率超过材料的截止频率以后，急剧下降，而下降到一定程度以后变化逐渐缓慢，远大于，此时阻抗主要由贡献。并且由于阻抗与角频率
成正比，磁导率下降对阻抗的降低效果小于频率上升对阻抗的升高效果，因此随频率的提高，阻抗仍在不断升高，直到由于分布电容影响，构成了低阻抗的通道及材料磁导率虚部进一步下降，阻抗才达到一峰值后开始缓慢下降。总的来说，磁芯线圈在高频段时的阻抗远大于其在低频段的阻抗。磁芯线圈阻抗的频率特性如图1所示。这样，对于频率低于磁性材料截止频率的有用信号，磁芯线圈仅相当于一个低阻抗的电感器，信号很容易通过。而对于高频段的干扰，磁芯线圈的阻抗很大，成为一个高效的干扰衰减器。
吸收式抗EMI滤波器在结构上相当于一个绕线或穿心的磁芯线圈，这类滤波器主要是利用磁性材料的阻抗频率特性来达到抑制EMI的目的。我们知道，当将一磁导率为
的磁芯插入电感量为L0的线圈中（假设忽略线圈的损耗），则该线圈的复数阻抗Z可表示为：式中，
等效于电阻；等效于电抗；为角频率；、分别为磁芯磁导率的实部、虚部。在材料的截止频率以下，
＞，阻抗主要由贡献，而当工作频率超过材料的截止频率以后，急剧下降，而下降到一定程度以后变化逐渐缓慢，远大于，此时阻抗主要由贡献。并且由于阻抗与角频率成正比，磁导率下降对阻抗的降低效果小于频率上升对阻抗的升高效果，因此随频率的提高，阻抗仍在不断升高，直到由于分布电容影响，构成了低阻抗的通道及材料磁导率虚部进一步下降，阻抗才达到一峰值后开始缓慢下降。总的来说，磁芯线圈在高频段时的阻抗远大于其在低频段的阻抗。磁芯线圈阻抗的频率特性如图1所示。这样，对于频率低于磁性材料截止频率的有用信号，磁芯线圈仅相当于一个低阻抗的电感器，信号很容易通过。而对于高频段的干扰，磁芯线圈的阻抗很大，成为一个高效的干扰衰减器。 
在吸收式抗EMI滤波器中，磁芯线圈作为干扰信号的衰减器，一般都是跟信号源、负载串联使用的。其等效电路如图2所示。铁氧体元器件对EMI信号的衰减（插入损耗），按下式计算：
其中ZA为信号源阻抗，ZF为铁氧体磁芯阻抗，ZB为负载阻抗。在需要衰减的EMI频段，铁氧体的阻抗ZF比信号源阻抗和负载阻抗ZB在数量级上高很多，因此，通常情况下，衰减量都很大，甚至可把衰减公式近似为
一般来说，为了达到最佳的干扰滤除效果，希望吸收式抗EMI滤波器在干扰的中心频段具有最大的阻抗值，而滤波器阻抗的峰值频率点一般又与磁芯材料的截止频率成正比，即与磁芯材料的起始磁导率成反比。因此，为了满足滤除不同频段电磁干扰的要求，用于吸收式抗EMI滤波器的材料必须加以系列化。图3为Ferroxcube公司抗EMI滤波器系列材料的阻抗频率曲线[2]，可见，对于不同的抗EMI材料具有不同的阻抗峰值频率点，分别针对滤除不同频段的干扰。
一般来说，为了达到最佳的干扰滤除效果，希望吸收式抗EMI滤波器在干扰的中心频段具有最大的阻抗值，而滤波器阻抗的峰值频率点一般又与磁芯材料的截止频率成正比，即与磁芯材料的起始磁导率成反比。因此，为了满足滤除不同频段电磁干扰的要求，用于吸收式抗EMI滤波器的材料必须加以系列化。图3为Ferroxcube公司抗EMI滤波器系列材料的阻抗频率曲线[2]，可见，对于不同的抗EMI材料具有不同的阻抗峰值频率点，分别针对滤除不同频段的干扰。
吸收式抗EMI滤波器按其具体用途可分为小信号滤波器、中间(intermediate)滤波器和电源滤波器三大类。小信号滤波器主要用于吸收多股并行信号传输线上附加的干扰，如交换机数据联线、计算机主机-显示器联线、主机-驱动器联线干扰等等。此类滤波器一般制作成多孔平板状或扁平盒状，每条信号线相当于都通过了一个单匝的磁芯。对于不同的干扰频段，要求滤波器具有不同的阻抗峰值频率点，这可通过选择不同的材料来实现，而阻抗的大小则主要由磁芯的长度来控制。
对于中间滤波器，其安置的位置颇有讲究。如果已知道某个元件是干扰产生的源，如晶体管或MOS管引起的过冲现象，可将滤波器做成引脚磁珠，直接安置在晶体管或MOS管的引脚上，以尽可能地防止干扰的传播。如果引起干扰的元件不易确定，但是干扰传输的途径能够明确，如高速数字时钟线，则可将滤波器制作成穿心磁珠或SMD磁珠，连接在干扰传输线上，达到抑制干扰的目的。为了进一步提高滤波能力，还可采取绕多匝线圈或添加旁路电容的方式来实现。如果只知道干扰由某块PCB板产生，则滤波器需安装在此PCB板与系统其它部分所连接的线路上，这也可采用穿心磁珠来实现，如果需要更大的阻抗，还可采用多孔磁珠，让线路按一定规则穿过多孔，直到满足阻抗要求为止[2]。此外，还有一类宽频带扼流圈也属于此类滤波器，一般为环形，让所有可能产生干扰的线路都穿过或绕制在磁芯上面，它的优点是宽频带及高阻抗，这种扼流圈要特别注意各线路之间的相互绝缘及有效降低分布电容。
对于电源滤波器件，由于线路上通过的电流一般较大，所以要特别注意磁芯的饱和问题。这类滤波器包括开关电源中应用的共模扼流圈、电源线路扼流圈等等。电源共模扼流圈的结构如图4所示。虽然差模电流能够相互补偿，但在实际生产中，两个绕组不可能做到完全对称，使得L1和L2的电感量不相等，从而也会对磁芯产生一定的偏置效果，因此也应该注意磁芯的饱和现象，最好选择Bs较大的磁芯来制作。L1和L2的差值（L1－L2）形成的差模漏电感Le和Cx电容器同时也组成L-N独立端口间的一只低通滤波器，在一定程度上也可抑制电源线上存在的差模EMI信号。对于电源线路上专门的差模扼流圈，由于承受的偏置电流大，目前最理想的材料是选择复合磁粉芯，它是将金属软磁粉末经绝缘包裹压制退火而成，相当于把一集中的气隙分散成微小孔穴均匀分布在磁芯中，不但材料的抗饱和强度增大，而且磁芯的电阻率比金属软磁材料增大了几个数量级，从而可应用在较高的频段内。磁粉芯的起始磁导率不是很高，为了获得高阻抗，可通过增加匝数来实现。
对于中间滤波器，其安置的位置颇有讲究。如果已知道某个元件是干扰产生的源，如晶体管或MOS管引起的过冲现象，可将滤波器做成引脚磁珠，直接安置在晶体管或MOS管的引脚上，以尽可能地防止干扰的传播。如果引起干扰的元件不易确定，但是干扰传输的途径能够明确，如高速数字时钟线，则可将滤波器制作成穿心磁珠或SMD磁珠，连接在干扰传输线上，达到抑制干扰的目的。为了进一步提高滤波能力，还可采取绕多匝线圈或添加旁路电容的方式来实现。如果只知道干扰由某块PCB板产生，则滤波器需安装在此PCB板与系统其它部分所连接的线路上，这也可采用穿心磁珠来实现，如果需要更大的阻抗，还可采用多孔磁珠，让线路按一定规则穿过多孔，直到满足阻抗要求为止[2]。此外，还有一类宽频带扼流圈也属于此类滤波器，一般为环形，让所有可能产生干扰的线路都穿过或绕制在磁芯上面，它的优点是宽频带及高阻抗，这种扼流圈要特别注意各线路之间的相互绝缘及有效降低分布电容。
对于电源滤波器件，由于线路上通过的电流一般较大，所以要特别注意磁芯的饱和问题。这类滤波器包括开关电源中应用的共模扼流圈、电源线路扼流圈等等。电源共模扼流圈的结构如图4所示。虽然差模电流能够相互补偿，但在实际生产中，两个绕组不可能做到完全对称，使得L1和L2的电感量不相等，从而也会对磁芯产生一定的偏置效果，因此也应该注意磁芯的饱和现象，最好选择Bs较大的磁芯来制作。L1和L2的差值（L1－L2）形成的差模漏电感Le和Cx电容器同时也组成L-N独立端口间的一只低通滤波器，在一定程度上也可抑制电源线上存在的差模EMI信号。对于电源线路上专门的差模扼流圈，由于承受的偏置电流大，目前最理想的材料是选择复合磁粉芯，它是将金属软磁粉末经绝缘包裹压制退火而成，相当于把一集中的气隙分散成微小孔穴均匀分布在磁芯中，不但材料的抗饱和强度增大，而且磁芯的电阻率比金属软磁材料增大了几个数量级，从而可应用在较高的频段内。磁粉芯的起始磁导率不是很高，为了获得高阻抗，可通过增加匝数来实现。
3 组合式抗EMI滤波器
组合式抗EMI滤波器又称为反射式滤波器或复合LC型滤波器。它是利用巴特奥斯或切比雪夫滤波器的设计原理和理论，根据在交流状态下电容的通高频阻低频、电感的通低频阻高频的特性，将电感和电容组合连接成电路，使其具有一定的滤波功能。滤波要求不同，选用的LC组合及对电感和电容值的要求也不同。
复合LC噪声滤波器电路通常采用
型、T型及
型电路及它们的组合等，使滤波器对信号源阻抗匹配，让所需要的信号几乎无衰减地通过，而对高频干扰呈现大的阻抗失配，使由信号源传导到滤波器输入端的干扰大多数被反射回源，而由滤波器输出端反向传输的高频干扰也被反射回负载。由于其所具有的双向抑制性，在实际应用时，要使滤波器的端口处与源端和负载端产生最大的阻抗失配，这样才能使滤波器对电磁干扰的衰减等于自身网络的衰减再加上输入和输出端口所产生的反射。因此，在滤波器结构的选择上，必须充分考虑源端阻抗和负载阻抗的情况。对于常用的π型、T型及Γ型组合式滤波器，其结构选择的规律如图5所示。
组合式抗EMI滤波器又称为反射式滤波器或复合LC型滤波器。它是利用巴特奥斯或切比雪夫滤波器的设计原理和理论，根据在交流状态下电容的通高频阻低频、电感的通低频阻高频的特性，将电感和电容组合连接成电路，使其具有一定的滤波功能。滤波要求不同，选用的LC组合及对电感和电容值的要求也不同。
复合LC噪声滤波器电路通常采用
型、T型及型电路及它们的组合等，使滤波器对信号源阻抗匹配，让所需要的信号几乎无衰减地通过，而对高频干扰呈现大的阻抗失配，使由信号源传导到滤波器输入端的干扰大多数被反射回源，而由滤波器输出端反向传输的高频干扰也被反射回负载。由于其所具有的双向抑制性，在实际应用时，要使滤波器的端口处与源端和负载端产生最大的阻抗失配，这样才能使滤波器对电磁干扰的衰减等于自身网络的衰减再加上输入和输出端口所产生的反射。因此，在滤波器结构的选择上，必须充分考虑源端阻抗和负载阻抗的情况。对于常用的π型、T型及Γ型组合式滤波器，其结构选择的规律如图5所示。
在组合式抗EMI滤波器中，由于其电容和电感在高频时容易受到分布参数的影响，甚至发生谐振现象，使滤器插损性能急剧下降，因此，它一般只适用于抑制频率相对较低的干扰。但其滤波效果可通过调整电感电容值或滤波阶数来改变，因而在抑制频率不是太高的干扰时，组合式滤波器能够产生更佳的除噪效果，适用于对付强大的噪声及需要充分去除噪声的地方，并且其抑制噪声的频段变化也很灵活，针对性可以很强。吸收式滤波器由于消除了器件分布参数的作用，能够很好地保证其高频插损性能，因此多用于抑制高频的干扰，如果将组合式滤波器和吸收式滤波器适当串联使用，则可满足系统宽带内的高性能插损指标。
4 抗EMI滤波器的发展趋势
电子系统的小型轻量化的发展，促使抗EMI滤波器也不断朝小型化、片式化方向发展。多层片式抗EMI器件就是近年来随着高密度表面组装技术（SMT）的发展而发展起来的一种新型表面贴装元件（SMD），由于其小型化的潜力很大，成为近年来研究和开发的热点。这些抗EMI元器件包括片式磁珠型EMI/RFI抑制器、片式电感器、片式组合式（LC型等）滤波器、片式扼流圈等。在尺寸上，美国已制定出相关的标准，如1008(1.0mm×0.8mm)，0805，0603，2012等型号。由于这类抗EMI器件对采用的铁氧体材料有特殊的要求，不仅要求其烧结温度低、电阻率高、而且要不与内导体发生反应，因此，近年来人们花费了大量的精力和财力研究降低该系统材料的烧结温度以及改进其电磁性能，取得了不少有价值的成果[3~6]。随着片式抗EMI器件尺寸的进一步缩小，如何在小尺寸滤波器上获得大的电感量或阻抗值将是今后需重点研究的内容。另外，为适应IC电路小型化精密印制板电路抗EMI的需求，对薄膜型组合式滤波器的研究也逐渐增多。上世纪90年代后期，美国泰克公司、日本东北大学先后开发出薄膜π型和薄膜LC抗EMI滤波器，使用频段在1～1000MHz之间，最大插损达到25dB。由于这种抗EMI器件完全采用薄膜工艺来完成，有望实现更高的集成度。
此外，一些新型磁性材料的应用，也为抗EMI滤波器的发展注入了新的活力。纳米晶软磁合金，如Finemet具有与钴基非晶磁性合金相匹敌的高磁导率(μ≥16000)，还具有与铁基非晶合金相近的高饱和磁通密度(Bs≈1.35T)，TC≈570℃，高温下的磁稳定性很好，非常适合用作共模扼流圈及零相电抗器等[7]，性能远优于传统材料制作的相应滤波器件。但目前此类材料的成本较高，成为其发展的最大障碍，如何有效降低此类材料的生产成本，将是决定其能否走向产业化的关键。另外，随着电子系统高频化的发展，电磁干扰的频段也越来越高，为了抑制更高频段的干扰，具有更高使用频段的Co2Z材料，复合(磁、介电)双性材料也将逐渐应用在抗EMI器件中。尤其是复合双性材料，在高频下既可利用其软磁特性制作电感，也可利用其介电特性制作电容，因此非常适合于组合式抗EMI滤波器的制作。
总之，磁性滤波器的发展始终是顺应电子系统的发展趋势的。如何进一步实现滤波器的小型化、集成化、高效化将是今后很长一段时间内不变的研究和发展主题。
电子系统的小型轻量化的发展，促使抗EMI滤波器也不断朝小型化、片式化方向发展。多层片式抗EMI器件就是近年来随着高密度表面组装技术（SMT）的发展而发展起来的一种新型表面贴装元件（SMD），由于其小型化的潜力很大，成为近年来研究和开发的热点。这些抗EMI元器件包括片式磁珠型EMI/RFI抑制器、片式电感器、片式组合式（LC型等）滤波器、片式扼流圈等。在尺寸上，美国已制定出相关的标准，如1008(1.0mm×0.8mm)，0805，0603，2012等型号。由于这类抗EMI器件对采用的铁氧体材料有特殊的要求，不仅要求其烧结温度低、电阻率高、而且要不与内导体发生反应，因此，近年来人们花费了大量的精力和财力研究降低该系统材料的烧结温度以及改进其电磁性能，取得了不少有价值的成果[3~6]。随着片式抗EMI器件尺寸的进一步缩小，如何在小尺寸滤波器上获得大的电感量或阻抗值将是今后需重点研究的内容。另外，为适应IC电路小型化精密印制板电路抗EMI的需求，对薄膜型组合式滤波器的研究也逐渐增多。上世纪90年代后期，美国泰克公司、日本东北大学先后开发出薄膜π型和薄膜LC抗EMI滤波器，使用频段在1～1000MHz之间，最大插损达到25dB。由于这种抗EMI器件完全采用薄膜工艺来完成，有望实现更高的集成度。
此外，一些新型磁性材料的应用，也为抗EMI滤波器的发展注入了新的活力。纳米晶软磁合金，如Finemet具有与钴基非晶磁性合金相匹敌的高磁导率(μ≥16000)，还具有与铁基非晶合金相近的高饱和磁通密度(Bs≈1.35T)，TC≈570℃，高温下的磁稳定性很好，非常适合用作共模扼流圈及零相电抗器等[7]，性能远优于传统材料制作的相应滤波器件。但目前此类材料的成本较高，成为其发展的最大障碍，如何有效降低此类材料的生产成本，将是决定其能否走向产业化的关键。另外，随着电子系统高频化的发展，电磁干扰的频段也越来越高，为了抑制更高频段的干扰，具有更高使用频段的Co2Z材料，复合(磁、介电)双性材料也将逐渐应用在抗EMI器件中。尤其是复合双性材料，在高频下既可利用其软磁特性制作电感，也可利用其介电特性制作电容，因此非常适合于组合式抗EMI滤波器的制作。
总之，磁性滤波器的发展始终是顺应电子系统的发展趋势的。如何进一步实现滤波器的小型化、集成化、高效化将是今后很长一段时间内不变的研究和发展主题。
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