CN103780216A - 一种圆形平面pcb耦合电感构成的全平面emi滤波器集成结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种圆形平面PCB耦合电感构成的全平面EMI滤波器集成结构，包括圆形平面PCB耦合电感及其漏感分别充当的共模电感、差模电感，差模电容I和差模电容II，共模集成LC单元I和共模集成LC单元II，差模电容I的一个端口作为滤波器的输入端，差模电容II的一个端口作为滤波器的输出端。本发明采用圆形平面PCB耦合电感作为平面EMI滤波器基本组成单元，该新结构耦合电感以PCB板为基板，将圆形陶瓷平面磁芯内嵌到基板上，PCB印刷导线充当磁芯的原副边绕组，通过金属过孔绕在磁芯上。新结构耦合电感省去了滤波器中体积较大且封闭的壶形磁芯，实现滤波器各组成模块的解耦，利于散热且有效减小平面EMI滤波器的体积和重量，滤波器各模块之间的连接也变得更简单。

Description

一种圆形平面PCB耦合电感构成的全平面EMI滤波器集成结构

技术领域：

本发明涉及一种EMI滤波器的全平面磁集成结构，特别是涉及一种圆形平面PCB耦合电感构成的平面EMI滤波器集成结构。

背景技术：

随着科技的不断进步，电子元器件不断向小型化、集成化发展，这使得电力电子变换装置的组成变得灵巧。但由于更多的元器件集中在一个小空间里，分布密度过高，产生和遭受电磁干扰的几率大大增加。同时，工作在开关状态下的电力电子器件，du/dt、di/dt较大，其产生的浪涌电流和尖峰电压成为干扰源，使得开关电压、电流中含有丰富的高次谐波。为保证变换装置的安全可靠运行，电磁干扰已成为其设计过程中不得不考虑的问题。

电力电子领域中的电磁干扰分为辐射干扰和传导干扰，EMI滤波器是抑制传导干扰的有效工具。EMI滤波器一般采用分立的无源元件电感和电容构成，特点是数量多、体积大，这阻碍了电力电子变换装置向小型化、集成化发展的趋势。美国电力电子研究中心(Collaborative Psychiatric Epidemiology Surveys,CPES)提出将磁集成技术应用于EMI滤波器，在实现模块化和小型化的同时，更加有效阻断了EMI耦合路径，成为发展新型EMI滤波器的重要方向之一，该滤波器设计方法在不改变传统EMI滤波拓扑的基础上，通过直接敷铜于高介电常数陶瓷板上，构成LC集成单元，再分别利用不同结构的LC集成单元构成差共模滤波模块，进而组成完整的平面EMI滤波器。

CPES设计的应用于开关电源系统的平面EMI滤波器(如图1所示)在结构上最具代表性：利用单匝LC单元构成差模电容101，在陶瓷介质基板的两侧喷镀多匝矩形螺旋线圈作为共模集成LC结构102，与漏感层103和EI型磁芯104组成完整的平面EMI滤波器。该结构减小了体积，大大提高了功率密度，同时减小了高频的寄生参数，但采用的矩形平面螺旋线圈导致导体利用率低，电感值较小，电流在直角处分布不均匀使得滤波器的性能大打折扣，加之陶瓷基板易脆，给安装连接带来了很大的挑战。

南京航空航天大学提出一种圆形PCB线匝构成的平面EMI滤波器集成结构(如图2所示)，该结构包括平面壶型磁芯201，差模电容I202、共模电感层I203、共模电感层II204、共模集成LC结构I205、漏感层206、共模集成LC结构II207、共模电感层III208、共模电感层IV209和差模电容II210。用壶型磁芯替代EI型磁芯，螺旋线圈全部包含在磁芯内部，导体利用率得到提高，共模电感层的存在，使得电感值得到增加，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拐角处电流分布不均带来的影响，提高了滤波器的插入损耗，改善了滤波器的高频性能，但壶型磁芯的使用，使得滤波器的体积增大，不符合滤波器小型化的发展趋势，況且各个模块封闭在磁芯中，给各模块的安装连接带来了困难，同时不利于散热，影响到滤波器工作时的可靠性。

发明内容：

本发明目的在于针对平面EMI滤波器现有技术缺陷，提出一种由圆形平面PCB耦合电感、共模集成LC单元和差模电容构成的全平面化EMI滤波器集成结构。

本发明采用如下技术方案：一种圆形平面PCB耦合电感构成的全平面EMI滤波器集成结构，其包括圆形平面PCB耦合电感及其漏感分别充当的共模电感、差模电感，差模集成电容I和差模集成电容II，共模集成LC单元I和共模集成LC单元II，所述圆形平面PCB耦合电感包括PCB基板、内嵌到PCB基板上的圆形陶瓷平面磁芯及PCB印刷导线，其中PCB印刷导线包括有两根，所述其中一根PCB印刷导线的两末端分别为E、F端，另一根PCB印刷导线的两末端分别为G、H端，所述E、F端所在PCB印刷导线和G、H端所在PCB印刷导线分别作为圆形陶瓷平面磁芯的原、副边绕组，通过PCB基板的金属过孔绕在磁芯上，所述差模集成电容I和差模集成电容II的结构相同，其包括作为差模电容的介质基板，在介质基板上、下平面铺敷完全对称的单匝螺旋线圈，单匝螺旋线圈的端点按照缺口顺时针方向编号为M、P、N、Q，所述差模集成电容I的M₁和N₁由导线引出作为滤波器的输入端，所述差模集成电容II的P₂和Q₂作为滤波器的输出端。

所述差模集成电容I的P1和Q1分别接圆形平面PCB耦合电感的E端和G端。

所述共模集成LC单元I和共模集成LC单元II的结构相同，其包括作为共模集成LC单元的介质基板，在介质基板的上层，敷设多个半径依次增大、首尾相接的半圆形平面螺旋线圈，所述半圆形平面螺旋线圈的最外层和最内层端点分别记为A和B，介质基板的下层全部敷铜层后接地，所述接地层端点记为C、D，所述共模集成LC单元II的A₂和B₂分别与圆形平面PCB耦合电感的H端及差模集成电容II的N₂相连，所述差模集成电容II的M₂与共模集成LC单元I的B₁相连，所述共模集成LC单元I的A₁与圆形平面PCB耦合电感的F端相连。

本发明具有如下有益效果：

（1）.本发明与现有技术相比，采用圆形平面PCB耦合电感作为EMI滤波器的基本组成单元，省去了体积较大的EI型磁芯或壶型磁芯，实现了滤波器的全平面化，同时差模集成电容是以高介电常数的双面PCB为基板，在上平面铺敷完全对称的单匝螺旋线圈，以增加差模电容值，共模集成LC单元，是在双面PCB的上层，敷设多个半径依次增大、首尾相接的半圆形平面螺旋线圈，PCB的下层全部敷铜接地；

（2）.滤波器在实现同等性能条件下，体积得以减小，功率密度得到提高，符合小型化、集成化的发展趋势；

（3）.本发明可应用于分布式电源系统的前端变换器中，特别适用于对平面面积要求苛刻的场合；

（4）.因为打破了磁芯的封闭性，滤波器各模块的连接变得容易，散热性能也变得良好，这使得滤波器可靠性得到了提高；

（5）.与分立元件组成的EMI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。

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2是基于圆形平面集成LC结构的集成EMI滤波器。

图3A是共模集成LC单元。

图3B是共模集成LC单元的等效集中参数电路。

图4A是圆形平面PCB耦合电感。

图4B是圆形平面PCB耦合电感的等效集中参数电路。

图5A是差模集成电容。

图5B是差模集成电容的等效集中参数电路。

图6A是基于圆形平面PCB耦合电感集成的全平面化EMI滤波器。

图6B是全平面化集成EMI滤波器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6A所示，本发明提供了一种圆形平面PCB耦合电感集成的全平面化EMI滤波器。该结构包括圆形平面PCB耦合电感601及其漏感分别充当的共模电感、差模电感，差模集成电容I602和差模集成电容II610，共模集成LC单元I605和共模集成LC单元II607。其中圆形平面PCB耦合电感601(如图4A所示)包括PCB基板(材料为FR-4)、内嵌到PCB基板上的圆形陶瓷平面磁芯401及PCB印刷导线402，其中PCB印刷导线402包括有两根，所述其中一根PCB印刷导线402的两末端分别为E、F端，另一根PCB印刷导线402的两末端分别为G、H端，所述E、F端所在PCB印刷导线和G、H端所在PCB印刷导线分别作为圆形陶瓷平面磁芯的原、副边绕组，通过PCB基板的金属过孔绕在磁芯上。差模集成电容I602和差模集成电容II610的结构相同(如图5A所示)，其采用高介电常数陶瓷材料(材料为Y5V)作为差模电容的介质基板502，在介质基板502上、下平面铺敷完全对称的单匝螺旋线圈501和503，单匝线圈501和503的端点按照缺口顺时针方向编号为M、P、N、Q，其中差模集成电容I602的M₁和N₁由导线引出作为滤波器的输入端，其P₁和Q₁分别接圆形平面PCB耦合电感601(如图4A所示)的E端和G端。共模集成LC单元I605和共模集成LC单元II607的结构相同，其采用陶瓷材料(材料为NPO)作为共模集成LC单元的介质基板302，在介质基板302的上层，敷设多个半径依次增大、首尾相接的半圆形平面螺旋线圈301，半圆形平面螺旋线圈301的最外层和最内层端点分别记为A和B，介质基板302的下层全部敷铜层303后接地，接地层端点记为C(D)，其中共模集成LC单元II607的A₂和B₂分别与圆形平面PCB耦合电感601的H及差模集成电容II610(如图5A所示)的N₂相连。差模集成电容II610(如图5A所示)的M₂与共模集成LC单元I605(如图3A所示)的B₁相连，共模集成LC单元I605(如图3A所示)的A₁最后与圆形平面PCB耦合电感601的F相连。差模集成电容II610的P₂和Q₂作为滤波器的输出端口。

图3B为图3A的等效参数电路，共模集成LC单元上层线圈的匝数为N₁，螺旋线圈宽度为w₁，PCB基板厚度为d₁；由PCB基板及其印刷导线和圆形陶瓷平面磁芯所集成的圆形平面PCB耦合电感见图4A，其原副边匝数均为N₂，导线宽度为w₂，绕组线匝间隔为h，PCB基板厚度为d₂，磁芯的磁路面积为A_e，磁路长度为l_e，磁导率为μ_r，图4B是其等效参数电路；差模集成电容如图5A所示，其匝数为1，螺旋线圈宽度为w₃，PCB基板厚度为d₃，等效参数电路见图5B。

圆形平面PCB耦合电感的副边绕组与共模集成LC单元II(或圆形平面PCB耦合电感的原边绕组与共模集成LC单元I)的顺向耦合串联构成共模电感，其大小为：

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

共模集成LC单元上下层间电容作为共模电容：

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

式中，l₁为共模集成LC单元上层线圈导线的总长度。

单匝的集成LC结构作为差模电容：

$C_{\mathrm{DM}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r{w}_3{l}_2}{d_3}$

式中，l₂为单匝集成LC结构线圈的总长度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种圆形平面PCB耦合电感构成的全平面EMI滤波器集成结构，其特征在于：包括圆形平面PCB耦合电感（601）及其漏感分别充当的共模电感、差模电感，差模集成电容I（602）和差模集成电容II（610），共模集成LC单元I（605）和共模集成LC单元II（607），所述圆形平面PCB耦合电感（601）包括PCB基板、内嵌到PCB基板上的圆形陶瓷平面磁芯（401）及PCB印刷导线（402），其中PCB印刷导线（402）包括有两根，所述其中一根PCB印刷导线（402）的两末端分别为E、F端，另一根PCB印刷导线（402）的两末端分别为G、H端，所述E、F端所在PCB印刷导线（402）和G、H端所在PCB印刷导线（402）分别作为圆形陶瓷平面磁芯的原、副边绕组，通过PCB基板的金属过孔绕在磁芯上，所述差模集成电容I（602）和差模集成电容II（610）的结构相同，其包括作为差模电容的介质基板（502），在介质基板（502）上、下平面铺敷完全对称的单匝螺旋线圈（501）和（503），单匝螺旋线圈（501）和（503）的端点按照缺口顺时针方向编号为M、P、N、Q，所述差模集成电容I（602）的M₁和N₁由导线引出作为滤波器的输入端，所述差模集成电容II（610）的P₂和Q₂作为滤波器的输出端。

2.如权利要求1所述的圆形平面PCB耦合电感构成的全平面EMI滤波器集成结构，其特征在于：所述差模集成电容I（602）的P₁和Q₁分别接圆形平面PCB耦合电感（601）的E端和G端。

3.如权利要求2所述的圆形平面PCB耦合电感构成的全平面EMI滤波器集成结构，其特征在于：所述共模集成LC单元I（605）和共模集成LC单元II（607）的结构相同，其包括作为共模集成LC单元的介质基板（302），在介质基板（302）的上层，敷设多个半径依次增大、首尾相接的半圆形平面螺旋线圈（301），所述半圆形平面螺旋线圈（301）的最外层和最内层端点分别记为A和B，介质基板（302）的下层全部敷铜层（303）后接地，所述接地层端点记为C、D，所述共模集成LC单元II（607）的A₂和B₂分别与圆形平面PCB耦合电感（601）的H端及差模集成电容II（610）的N₂相连，所述差模集成电容II（610）的M₂与共模集成LC单元I（605）的B₁相连，所述共模集成LC单元I（605）的A₁与圆形平面PCB耦合电感（601）的F端相连。

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