NIPPON CHEMI-CON CORPORATION

目录

1. 低通滤波器的种类
2. 低通LC滤波器的设计
3. 寄生成分的影响
4. LC过滤器的特征以及注意事项
5. 各电容器品种的特性差异
6. 与其他扼流线圈的比较
7. 温度特性的影响
8. 技术支援工具的运用
9. DC/DC转换器的实机测试
10. 1单圈贯通构造扼流线圈SM系列与鼓形线圈比较
11. 总结
12. 使用本资料的注意事项

1. 低通滤波器的种类

●低通滤波器的构成实例

插入直流电源线，消除不必要的高频噪声。
直流电源线需要用到的低通滤波器，采用功率损耗较少的LC滤波器，或增加LC滤波器段数的π型滤波器等。
※本资料将就表中的LC过滤器的最佳零部件以及回路特性进行详细说明。

2. 低通LC滤波器的设计

●LC滤波器的阻抗和截止频率

LC滤波器的阻抗和截止频率按如下公式进行计算。一般来讲，滤波器的截止频率是开关频率的1/10左右。

3. 寄生成分的影响

电容器和扼流线圈等无源元件具有寄生成分，在高频下无法充分发挥其性能。

在电容器、扼流线圈中不产生自共振的频带上构成LC过滤器，则可实现理想的衰减特性。

4. LC过滤器的特征以及注意事项

1. 衰减量按如下公式进行计算。
   \(衰减量 = 20Log10(\frac{Vout}{Vin})[dB]\)
2. 在LC滤波器的设计过程中，需要注意在截止频率fc下所产生的Q峰值。(Q表示共振锐度。)
3. 衰减特性为-40dB/dec.。
   

   图1. LC过滤器的基本特性
   

   回路负载阻抗轻的情况下，需要抑制Q峰值的阻抗R_Q，以及防止向该R_Q施加直流电压的C_Q。应选择等效串联阻抗(ESR)小于R_Q的C_Q。R_Q按如下公式进行计算。
   \(R{\small Q} = Q\sqrt{\frac{L}{C}}\)

   (以Q=0.5～0.7为标准。)

【关于所使用零部件的型号以及在本资料中的简称】

●扼流线圈

●导电性高分子混合型铝电解电容器

●铝电解电容器(样本1)

●铝电解电容器(样本2)

●鼓形扼流线圈

5. 各电容器品种的特性差异

●混合型、铝电解(相同容量时)(C=100μF)

图2. 混合型、铝电解电容器各同容量下的滤波器特性比较

混合型电容器可以在LC滤波器衰减范围内实现衰减特性-40dB/dec.。使用铝电解电容器的情况下，约30kHz之后的衰减特性会变为-20dB/dec.。其原因在于电容器的频率特性。

图3. 混合型和铝电解的Z-ESR特性比较(同容量)

●混合型、铝电解(衰减量要求值相同时)(要求值-40dB/100kHz)

图4. 目标衰减量下混合型、铝电解的各滤波器特性比较

要用铝电解电容器实现衰减量-40dB/100kHz，需要大容量电容器(4700μF)。此外，与混合型电容器相比，其空间量为1.3倍左右，高度为3倍左右，重量为5倍左右，体积为5倍左右，零部件外形较大。

图5. 混合型和铝电解的Z-ESR特性比较(目标衰减量)

由于铝电解电容器的等效串联阻抗(ESR)较大，阻抗在约4kHz时成为ESR成分，之后实质上成为LR过滤器，因此衰减特性为-20dB/dec.。

6. 与其他扼流线圈的比较

※为确认截止频率，需要在有Q峰值的情况下进行测量

图6. SM线圈与环形线圈的滤波器特性比较

在直流电流0A下使用环形线圈时，目标衰减点的衰减量会变为-40dB以下，比SM线圈更为有利，但是环形线圈的截止频率因叠加电流值而变动，叠加电流30A的衰减量与SM线圈大致相同。其原因在于环形线圈的直流叠加特性。

图7. SM线圈与环形线圈的叠加特性比较

直流电流0A中环形线圈的电感比SM线圈大4倍左右，叠加约30A之后，SM线圈和环形线圈的电感几乎相同。电流叠加时环形线圈电感的波动的主要原因是，构成滤波器时，直流电流值所引起的截止频率变动。另一方面，由于SM线圈对电感的电流依赖性较小，截止频率的变动也较小，可以获得稳定的衰减特性。
此外，由于SM线圈的直流阻抗(DCR)较小，在叠加30A时，与环形线圈相比可以保持低功率损耗和低热量，较为有利。

图8. SM扼流线圈与环形扼流线圈的发热情况比较

7. 温度特性的影响

电容器的温度特性

●混合型 HSE100μF/63V (外形Φ10×12.5L)

图9. 混合型电容器(HSE100μF/63V)的温度特性

混合型电容器在-40℃、25℃、135℃下可发挥出最大200kHz左右的电容器功能。
混合型电容器的ESR和温度依赖性都较低，可获得理想的衰减特性。

●铝电解 GXE100μF/35V (外形Φ10×12.5L)

图10. 铝电解电容器(GXE100μF/35V)的温度特性

铝电解电容器在-40℃的低温环境下作为电容器保持正常功能的极限为7kHz左右。此外，随着温度升高，电容器功能得到改善，135℃下可作为电容器使用至70kHz。
铝电解电容器的ESR温度依赖性较大，衰减特性会产生变化。

图11. SM扼流线圈的温度特性

SM线圈在-40℃、25℃、135℃下几乎不存在电感的温度依赖性。

【注意事项】

关于电容器的使用温度

请勿在高温度(超出工作温度上限)下进行使用。在超出工作温度上限下使用时，电容器的寿命会显著缩短，甚至会导致压力阀启动等破损。请确认电容器的温度，不仅包括设备周围的温度、设备内的温度，还包括设备内发热体(电源晶体管、阻抗等)的辐射热、因纹波电流而产生的自发热等。此外，请不要在电容器背面配置发热体等。此外，电容器的寿命受使用温度的影响，请在工作温度范围内使用。如设置成较低的温度，则可期待较长的寿命。

LC过滤器的温度特性

如果LC滤波器有温度依赖性，则衰减特性和截止频率都会发生变化。对于使用混合型电容器以及使用铝电解电容器这两种情况进行比较。

●使用混合型电容器

图12. SM线圈+混合型电容器时的滤波器温度特性

SM线圈以及混合型电容器的温度依赖性都相对较小，而混合型电容器由于实现了低ESR，滤波器衰减特性也不依赖于温度，可以获得-40dB/dec.理想的特性。

●使用铝电解电容器

图13. SM线圈+铝电解电容器(GXE100μF/35V)时的滤波器温度特性

另一方面，铝电解电容器的温度依赖性较大，在高温环境下ESR会降低，可以使衰减特性得到改善，然而在低温下使用时ESR会升高，导致电容器功能显著下降。结果，由于容量的温度依赖性，截止频率上升，也就无法获得目标频率下的衰减量。

8. 技术支援工具的运用

基于SPICE模型的LC过滤器的一例

我司为您准备了各种电容器、扼流线圈的SPICE模型。您可以确认实机评估前的效果。

图14. LC过滤器SPICE模拟

图15. LC滤波器实测与模拟比较

使用技术支援工具SPICE模型，可以让推测出的回路特性更接近实机。

技术支援工具SPICE模型请点击此处

9. DC/DC转换器的实机测试

在市场上有售的DC/DC转换器的输出部位，已确认我司电容器与扼流线圈组合而成的LC过滤器有抑制噪声的效果。

●实机测试方框图

图16. SM线圈以及混合型电容器的DC/DC转换器噪声消除测试方框图

图17. SM线圈以及混合型电容器的DC/DC转换器噪声消除性能观测

在DC/DC转换器的输出中插入SM线圈+混合型100μF的LC滤波器，已确认额定30A输出时电源的SW噪声衰减至10mV以下。
(备注) 10mV为示波器的测量界限。

10. SM线圈与鼓形线圈比较

【概要】

• 鼓形线圈和棒形线圈所使用的铁氧体磁性材料，与SM系列所使用的非晶磁性材料具有同级别的电感和额定电流，因此站在传导噪声消除性能和辐射噪声的视角上与SM系列进行比较。
• 鼓形线圈与棒形线圈的特性相似，因此本次评估使用鼓形线圈。
  (关于扼流线圈规格，请参照4. LC过滤器特征及注意事项。)

【关于本项中的传导噪声和辐射噪声】

• 传导噪声是指通过电源线和信号线传播的噪声。
• 辐射噪声则假设为因扼流线圈配置和磁芯构造而辐射至空间中的磁通量(泄漏磁通量)所导致的在空间中传播的噪声。该辐射噪声会与周边回路磁耦合，产生感应电压，从而造成误运行等不良影响。
• 本项中将比较AM无线电频带中的传导噪声消除性能和辐射噪声水平。

【扼流线圈的外观和结构】

下面介绍根据各扼流线圈的磁芯结构产生的磁芯内磁通量的印象图。
 

鼓形扼流线圈(或棒形扼流线圈)	本公司的扼流线圈　SM系列
(结构说明) 鼓形线圈和棒形线圈的磁芯为开磁路构造，磁芯内所产生的磁通量即为通过空间的回路。	(结构说明) 而SM系列的磁芯采用闭磁路构造，因此磁芯内产生的磁通量会在磁芯内关闭磁通回路，磁通量不易泄漏至磁芯外。

【传导噪声消除能力评估】

• 滤波器特性
  以传导噪声消除性能构成LC滤波器。
  假设为AM无线电频带的噪声衰减，因此应将约500kHz以上滤波器特性定为-40dB以下。
• 滤波器输入信号
  假设将50Vpeak/1MHz的高电压尖峰噪声作为传导噪声输入至滤波器中。

【辐射噪声的评估方法】

我们采用如下方法进行了简单的验证。(请参照噪声评估方框图)

• 准备两张电气绝缘的基板。
• 安装了用于消除传导噪声的LC滤波器的基板为1次基板。
• 以确认来自1次基板线圈的辐射噪声影响为目的的基板为2次基板。
  ～2次基板假设用于逐渐低电压化的车载电子设备，因此设置1.2V的虚拟电源线。
  ～2次基板的安装位置，应能充分确认从1次基板发出的辐射噪声所引起的感应电压。
  　本次评估的位置定为1次基板上方30mm处。

【噪声评估方框图】

【结果】

比较其传导噪声消除性能

• SM系列与鼓形线圈的滤波器特性(传导噪声消除特性)几乎相同。(请参照图18)
• 衰减特性大致符合设计规格，500kHz以上为约-40dB以下。

图18. SM线圈与鼓形扼流线圈的滤波器特性比较

有无辐射噪声、影响

• 关于泄漏磁通量引起的辐射噪声，SM系列和鼓形线圈存在差异，在本次评估的鼓形线圈中确认存在约0.8Vpeak的感应电压。(请参照图19)
  相对于2次基板虚拟电源线的1.2V，约为67%，在实机环境下，可能会产生误运行等不良影响。
• 使用SM线圈的情况下，已确认感应电压不受2次基板安装位置的影响，保持在0.1Vpeak以内。
  与鼓形线圈和棒形线圈相比，导致周边回路误运行的担忧得到了较大幅度的改善。(请参照图20)

鼓形扼流线圈使用	本公司的扼流线圈　SM系列使用
图19. 来自鼓形线圈的泄漏磁通量造成的对2次基板的感应电压	图20. 来自SM系列的泄漏磁通量造成的对2次基板的感应电压

【考察】

• SM线圈和鼓形线圈都能充分衰减传导噪声，但是泄漏磁通量所引起的辐射噪声存在较大差异。
• 从扼流线圈构造来看，鼓形线圈的磁芯为开磁路构造，因此泄漏磁通量变多，而辐射噪声方面，与周边回路的磁耦合引起的感应电压(异常电压)也会变大。因此，需要注意扼流线圈和周边回路的安装位置。
• 而SM线圈的磁芯则是采用闭磁路构造，几乎没有泄漏磁通量，辐射噪声也相对较小，即使施加高电压的尖峰噪声，周边回路产生的感应电压(异常电压)也会变小。这样就可以让扼流线圈和周边回路的安装位置有更大的自由度。

(补充)
只要对基板进行固体填充，就可以产生磁屏蔽，从而降低扼流线圈下部方向的辐射噪声。如果扼流线圈安装部位非固体填充，则也需要注意扼流线圈安装部位的下部方向。

【总结】

单圈贯通构造扼流线圈SM系列，即使在被施加高电压尖峰噪声的情况下，泄漏磁通量的辐射噪声也小于鼓形线圈和棒形线圈，可防止周边电路误动作等不良影响。

11. 总结

※关于SM扼流线圈与混合型电容器组成的LC滤波器

SM线圈的低DCR，可以产生低功率损耗、混合型电容器的低ESR、温度稳定性的复合效果，具有如下3项优点。

1. 可用于大电流电源线。
2. 可获得衰减特性-40dB/dec.。
3. 衰减特性不会随环境温度而变化。

【补充1】
使用混合型电容器时，可以获得陡峭衰减特性(理想衰减量)，因此可以设计高截止频率的fc。这可以为电容器的低容量化和零部件的小型化做出贡献。

※关于SM线圈与电解LC过滤器

而另一方面，铝电解电容器的ESR较高，且温度变化大，但是只要符合如下条件，就仍可认为有选择余地。

1. 需要大容量电容器。
2. 衰减特性为-20dB/dec.也可。
3. 温度恒定。
4. 不受外形尺寸影响。

【补充2】
使用铝电解电容器时，因ESR较高，衰减特性为-20dB/dec.，只要降低截止频率fc，即可在目标频率下求得衰减量。

※关于SM线圈和鼓形线圈

普通鼓形线圈与SM系列具有几乎相同的电感和额定容量，在对二者的传导噪声和辐射噪声进行比较时，磁芯为闭磁路结构的SM系列线圈即使施加数十V的高尖峰噪声，泄漏磁通量所造成的辐射噪声也极小，可以防止周边回路的误运行等。

12. 使用本资料的注意事项

• 本资料仅用作产品特性的参考数据，不对产品特性做出任何保证。
• 为了让您更加正确、安全地使用我司产品，在您判断是否选用我司产品时，请您不要以本资料为准，请您务必实际安装我司产品，进行试验等之后再决定。
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