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利用磁珠和電感幫你輕松化解EMI和EMC問(wèn)題

發(fā)布時(shí)間:2016-06-08 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】如何利用磁珠和電感解決EMI和EMC?磁珠和電感在解決EMI和EMC方面的作用有什么區(qū)別,各有什么特點(diǎn),是不是使用磁珠的效果會(huì)更好一點(diǎn)呢?請(qǐng)耐心往下看,本文將一一為您解答。
 
磁珠專用于抑制信號(hào)線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾,還具有吸收靜電脈沖的能力。磁珠是用來(lái)吸收超高頻信號(hào),象一些RF電路,PLL,振蕩電路,含超高頻存儲(chǔ)器電路(DDRSDRAM,RAMBUS等)都需要在電源輸入部分加磁珠,而電感是一種蓄能元件,用在LC振蕩電路,中低頻的濾波電路等,其應(yīng)用頻率范圍很少超過(guò)50MHZ. 磁珠有很高的電阻率和磁導(dǎo)率,等效于電阻和電感串聯(lián),但電阻值和電感值都隨頻率變化。
 
磁珠的功能主要是消除存在于傳輸線結(jié)構(gòu)(電路)中的RF噪聲,RF能量是疊加在直流傳輸電平上的交流正弦波成分,直流成分是需要的有用信號(hào),而射頻RF能量卻是無(wú)用的電磁干擾沿著線路傳輸和輻射(EMI)。要消除這些不需要的信號(hào)能量,使用片式磁珠扮演高頻電阻的角色(衰減器),該器件允許直流信號(hào)通過(guò),而濾除交流信號(hào)。通常高頻信號(hào)為30MHz以上,然而,低頻信號(hào)也會(huì)受到片式磁珠的影響。磁珠有很高的電阻率和磁導(dǎo)率,他等效于電阻和電感串聯(lián),但電阻值和電感值都隨頻率變化。他比普通的電感有更好的高頻濾波特性,在高頻時(shí)呈現(xiàn)阻性,所以能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的阻抗,從而提高調(diào)頻濾波效果。
 
磁珠可等效成一個(gè)電感,但這個(gè)等效電感與電感線圈是有區(qū)別的,磁珠與電感線圈的最大區(qū)別就是,電感線圈有分布電容。因此,電感線圈就相當(dāng)于一個(gè)電感與一個(gè)分布電容并聯(lián)。如圖1所示。圖1中,LX為電感線圈的等效電感(理想電感),RX為線圈的等效電阻,CX為電感的分布電容。
 
利用磁珠和電感幫你輕松化解EMI和EMC問(wèn)題
 
電感器(電感線圈)和變壓器均是用絕緣導(dǎo)線(例如漆包線、紗包線等)繞制而成的電磁感應(yīng)元件,也是電子電路中常用的元器件之一,相關(guān)產(chǎn)品如共模濾波器等。當(dāng)線圈中有電流通過(guò)時(shí),線圈的周圍就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)線圈中電流發(fā)生變化時(shí),其周圍的磁場(chǎng)也產(chǎn)生相應(yīng)的變化,此變化的磁場(chǎng)可使線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(電動(dòng)勢(shì)用以表示有源元件理想電源的端電壓),這就是自感。兩個(gè)電感線圈相互靠近時(shí),一個(gè)電感線圈的磁場(chǎng)變化將影響另一個(gè)電感線圈,這種影響就是互感?;ジ械拇笮∪Q于電感線圈的自感與兩個(gè)電感線圈耦合的程度,利用此原理制成的元件叫做互感器。
 
理論上對(duì)傳導(dǎo)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制,要求抑制電感的電感量越大越好,但對(duì)于電感線圈來(lái)說(shuō),電感量越大,則電感線圈的分布電容也越大,兩者的作用將會(huì)互相抵消。
 
利用磁珠和電感幫你輕松化解EMI和EMC問(wèn)題
 
圖2是普通電感線圈的阻抗與頻率的關(guān)系圖,由圖中可以看出,電感線圈的阻抗開始的時(shí)候是隨著頻率升高而增大的,但當(dāng)它的阻抗增大到最大值以后,阻抗反而隨著頻率升高而迅速下降,這是因?yàn)椴⒙?lián)分布電容的作用。當(dāng)阻抗增到最大值的地方,就是電感線圈的分布電容與等效電感產(chǎn)生并聯(lián)諧振的地方。圖中,L1 》 L2 》 L3,由此可知電感線圈的電感量越大,其諧振頻率就越低。從圖2中可以看出,如果要對(duì)頻率為1MHz的干擾信號(hào)進(jìn)行抑制,選用L1倒不如選用L3,因?yàn)長(zhǎng)3的電感量要比L1小十幾倍,因此L3的成本也要比L1低很多。
 
如果我們還要對(duì)抑制頻率進(jìn)一步提高,那么我們最后選用的電感線圈就只好是它的最小極限值,只有1圈或不到1圈了。磁珠,即穿心電感,就是一個(gè)匝數(shù)小于1圈的電感線圈。但穿心電感比單圈電感線圈的分布電容小好幾倍到幾十倍,因此,穿心電感比單圈電感線圈的工作頻率更高。
 
穿心電感的電感量一般都比較小,大約在幾微亨到幾十微亨之間,電感量大小與穿心電感中導(dǎo)線的大小以及長(zhǎng)度,還有磁珠的截面積都有關(guān)系,但與磁珠電感量關(guān)系最大的還要算磁珠的相對(duì)導(dǎo)磁率 。圖3、圖4是分別是指導(dǎo)線和穿心電感的原理圖,計(jì)算穿心電感時(shí),首先要計(jì)算一根圓截面直導(dǎo)線的電感,然后計(jì)算結(jié)果乘上磁珠相對(duì)導(dǎo)磁率就可以求出穿心電感的電感量。
 
利用磁珠和電感幫你輕松化解EMI和EMC問(wèn)題
 
另外,當(dāng)穿心電感的工作頻率很高時(shí),在磁珠體內(nèi)還會(huì)產(chǎn)生渦流,這相當(dāng)于穿心電感的導(dǎo)磁率要降低,此時(shí),我們一般都使用有效導(dǎo)磁率 。有效導(dǎo)磁率就是在某個(gè)工作頻率之下,磁珠的相對(duì)導(dǎo)磁率。但由于磁珠的工作頻率都只是一個(gè)范圍,因此在實(shí)際應(yīng)用中多用平均導(dǎo)磁率 。
 
在低頻時(shí),一般磁珠的相對(duì)導(dǎo)磁率都很大(大于100),但在高頻時(shí)其有效導(dǎo)磁率只有相對(duì)導(dǎo)磁率的幾分之一,甚至幾十分之一。因此,磁珠也有截止頻率的問(wèn)題,所謂截止頻率,就是使磁珠的有效導(dǎo)磁率下降到接近1時(shí)的工作頻率fc,此時(shí)磁珠已經(jīng)失去一個(gè)電感的作用。一般磁珠的截止頻率fc都在30~300MHz之間,截止頻率的高低與磁珠的材料有關(guān),一般導(dǎo)磁率越高的磁芯材料,其截止頻率fc反而越低,因?yàn)榈皖l磁芯材料渦流損耗比較大。使用者在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時(shí)候,可要求磁芯材料的提供商提供磁芯工作頻率與有效導(dǎo)磁率的測(cè)試數(shù)據(jù),或穿心電感在不同工作頻率之下的曲線圖。圖5是穿心電感的頻率曲線圖。
 
利用磁珠和電感幫你輕松化解EMI和EMC問(wèn)題
 
磁珠另一個(gè)用途就是用來(lái)做電磁屏蔽,它的電磁屏蔽效果比屏蔽線的屏蔽效果還要好,這是一般人不太注意的。其使用方法就是讓一雙導(dǎo)線從磁珠中間穿過(guò),那么當(dāng)有電流從雙導(dǎo)線中流過(guò)時(shí),其產(chǎn)生的磁場(chǎng)將大部份集中在磁珠體內(nèi),磁場(chǎng)不會(huì)再向外輻射;由于磁場(chǎng)在磁珠體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生渦流,渦流產(chǎn)生電力線的方向與導(dǎo)體表面電力線的方向正好相反,互相可以抵消,因此,磁珠對(duì)于電場(chǎng)同樣有屏蔽作用,即:磁珠對(duì)導(dǎo)體中的電磁場(chǎng)有很強(qiáng)的屏蔽作用。
 
使用磁珠進(jìn)行電磁屏蔽的優(yōu)點(diǎn)是磁珠不用接地,可以免去屏蔽線要求接地的麻煩。用磁珠作為電磁屏蔽,對(duì)于雙導(dǎo)線來(lái)說(shuō),還相當(dāng)于在線路中接了一個(gè)共模抑制電感,對(duì)共模干擾信號(hào)有很強(qiáng)的抑制作用。
 
由此可知,電感線圈主要是用于對(duì)低頻干擾信號(hào)進(jìn)行EMI抑制,而磁珠主要是對(duì)高頻干擾信號(hào)進(jìn)行EMI抑制,因此,對(duì)一個(gè)頻帶很寬的干擾信號(hào)進(jìn)行EMI抑制,必須同時(shí)采用多個(gè)不同性質(zhì)的電感才會(huì)有效。另外,對(duì)共模傳導(dǎo)干擾信號(hào)進(jìn)行EMI抑制,還要注意抑制電感與Y電容的連接位置。Y電容和抑制電感盡量靠近電源的輸入端,即電源插座的位置,并且高頻電感要盡量靠近Y電容,而Y電容還要盡量靠近與大地連接的地線(三心電源線的地線),這對(duì)EMI抑制才有效。



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