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濾波電容器、共模電感和磁珠在EMC設(shè)計(jì)電路中的作用及原理分析
發(fā)布時(shí)間:2019-03-28 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】在EMC設(shè)計(jì)電路中經(jīng)常有濾波電容器、共模電感、磁珠的身影,這也是消滅電磁干擾的三大利器。對(duì)于這三者在電路中的作用,相信還有很多工程師搞不清楚。本文從設(shè)計(jì)中詳細(xì)分析了消滅EMC三大利器的原理。
01三大利器之濾波電容器
盡管從濾除高頻噪聲的角度看,電容的諧振是不希望的,但是電容的諧振并不是總是有害的。當(dāng)要濾除的噪聲頻率確定時(shí),可以通過(guò)調(diào)整電容的容量,使諧振點(diǎn)剛好落在騷擾頻率上。
在實(shí)際工程中,要濾除的電磁噪聲頻率往往高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz,甚至超過(guò)1GHz。
對(duì)這樣高頻的電磁噪聲必須使用穿心電容才能有效地濾除。
普通電容之所以不能有效地濾除高頻噪聲,是因?yàn)閮蓚€(gè)原因。
一個(gè)原因是:電容引線電感造成電容諧振,對(duì)高頻信號(hào)呈現(xiàn)較大的阻抗,削弱了對(duì)高頻信號(hào)的旁路作用。
另一個(gè)原因是:導(dǎo)線之間的寄生電容使高頻信號(hào)發(fā)生耦合,降低了濾波效果。
穿心電容之所以能有效地濾除高頻噪聲,是因?yàn)榇┬碾娙莶粌H沒(méi)有引線電感造成電容諧振頻率過(guò)低的問(wèn)題,而且穿心電容可以直接安裝在金屬面板上,利用金屬面板起到高頻隔離的作用。
但是在使用穿心電容時(shí),要注意的問(wèn)題是安裝問(wèn)題。
穿心電容最大的弱點(diǎn)是怕高溫和溫度沖擊,這在將穿心電容往金屬面板上焊接時(shí)造成很大困難。
許多電容在焊接過(guò)程中發(fā)生損壞。特別是當(dāng)需要將大量的穿心電容安裝在面板上時(shí),只要有一個(gè)損壞,就很難修復(fù),因?yàn)樵趯p壞的電容拆下時(shí),會(huì)造成鄰近其它電容的損壞。
02三大利器之共模電感
由于EMC所面臨解決問(wèn)題大多是共模干擾,因此共模電感也是我們常用的有力元件之一,共模電感是一個(gè)以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件,它由兩個(gè)尺寸相同,匝數(shù)相同的線圈對(duì)稱地繞制在同一個(gè)鐵氧體環(huán)形磁芯上,形成一個(gè)四端器件,要對(duì)于共模信號(hào)呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用,而對(duì)于差模信號(hào)呈現(xiàn)出很小的漏電感幾乎不起作用。
原理是流過(guò)共模電流時(shí)磁環(huán)中的磁通相互疊加,從而具有相當(dāng)大的電感量,對(duì)共模電流起到抑制作用,而當(dāng)兩線圈流過(guò)差模電流時(shí),磁環(huán)中的磁通相互抵消,幾乎沒(méi)有電感量,所以差模電流可以無(wú)衰減地通過(guò)。
因此共模電感在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號(hào),而對(duì)線路正常傳輸?shù)牟钅P盘?hào)無(wú)影響。
共模電感在制作時(shí)應(yīng)滿足以下要求:
(1)繞制在線圈磁芯上的導(dǎo)線要相互絕緣,以保證在瞬時(shí)過(guò)電壓作用下線圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。
(2)當(dāng)線圈流過(guò)瞬時(shí)大電流時(shí),磁芯不要出現(xiàn)飽和。
(3)線圈中的磁芯應(yīng)與線圈絕緣,以防止在瞬時(shí)過(guò)電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。
(4)線圈應(yīng)盡可能繞制單層,這樣做可減小線圈的寄生電容,增強(qiáng)線圈對(duì)瞬時(shí)過(guò)電壓的而授能力。
通常情況下,同時(shí)注意選擇所需濾波的頻段,共模阻抗越大越好,因此我們?cè)谶x擇共模電感時(shí)需要看器件資料,主要根據(jù)阻抗頻率曲線選擇。
另外選擇時(shí)注意考慮差模阻抗對(duì)信號(hào)的影響,主要關(guān)注差模阻抗,特別注意高速端口。
03三大利器之磁珠
在產(chǎn)品數(shù)字電路EMC設(shè)計(jì)過(guò)程中,我們常常會(huì)使用到磁珠,鐵氧體材料是鐵鎂合金或鐵鎳合金,這種材料具有很高的導(dǎo)磁率,他可以是電感的線圈繞組之間在高頻高阻的情況下產(chǎn)生的電容最小。
鐵氧體材料通常在高頻情況下應(yīng)用,因?yàn)樵诘皖l時(shí)他們主要程電感特性,使得線上的損耗很小。在高頻情況下,他們主要呈電抗特性比并且隨頻率改變。
實(shí)際應(yīng)用中,鐵氧體材料是作為射頻電路的高頻衰減器使用的。
實(shí)際上,鐵氧體較好的等效于電阻以及電感的并聯(lián),低頻下電阻被電感短路,高頻下電感阻抗變得相當(dāng)高,以至于電流全部通過(guò)電阻。鐵氧體是一個(gè)消耗裝置,高頻能量在上面轉(zhuǎn)化為熱能,這是由他的電阻特性決定的。
鐵氧體磁珠與普通的電感相比具有更好的高頻濾波特性。
鐵氧體在高頻時(shí)呈現(xiàn)電阻性,相當(dāng)于品質(zhì)因數(shù)很低的電感器,所以能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的阻抗,從而提高高頻濾波效能。
在低頻段,阻抗由電感的感抗構(gòu)成,低頻時(shí)R很小,磁芯的磁導(dǎo)率較高,因此電感量較大,L起主要作用,電磁干擾被反射而受到抑制。
并且這時(shí)磁芯的損耗較小,整個(gè)器件是一個(gè)低損耗、高Q特性的電感,這種電感容易造成諧振因此在低頻段,有時(shí)可能出現(xiàn)使用鐵氧體磁珠后干擾增強(qiáng)的現(xiàn)象。
在高頻段,阻抗由電阻成分構(gòu)成,隨著頻率升高,磁芯的磁導(dǎo)率降低,導(dǎo)致電感的電感量減小,感抗成分減小。
但是,這時(shí)磁芯的損耗增加,電阻成分增加,導(dǎo)致總的阻抗增加,當(dāng)高頻信號(hào)通過(guò)鐵氧體時(shí),電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能的形式耗散掉。
鐵氧體抑制元件廣泛應(yīng)用于印制電路板、電源線和數(shù)據(jù)線上。
如在印制板的電源線入口端加上鐵氧體抑制元件,就可以濾除高頻干擾。
鐵氧體磁環(huán)或磁珠專用于抑制信號(hào)線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾,它也具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。
使用片式磁珠還是片式電感主要還在于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合。
在諧振電路中需要使用片式電感。而需要消除不需要的EMI噪聲時(shí),使用片式磁珠是最佳的選擇。
片式磁珠和片式電感的應(yīng)用場(chǎng)合:
片式電感: 射頻(RF)和無(wú)線通訊,信息技術(shù)設(shè)備,雷達(dá)檢波器,汽車電子,蜂窩電話,尋呼機(jī),音頻設(shè)備,PDAs(個(gè)人數(shù)字助理),無(wú)線遙控系統(tǒng)以及低壓供電模塊等。
片式磁珠: 時(shí)鐘發(fā)生電路,模擬電路和數(shù)字電路之間的濾波,I/O輸入/輸出內(nèi)部連接器(比如串口,并口,鍵盤,鼠標(biāo),長(zhǎng)途電信,本地局域網(wǎng)),射頻(RF)電路和易受干擾的邏輯設(shè)備之間,供電電路中濾除高頻傳導(dǎo)干擾,計(jì)算機(jī),打印機(jī),錄像機(jī)(VCRS),電視系統(tǒng)和手提電話中的EMI噪聲抑止。
磁珠的單位是歐姆,因?yàn)榇胖榈膯挝皇前凑账谀骋活l率產(chǎn)生的阻抗來(lái)標(biāo)稱的,阻抗的單位也是歐姆。
磁珠的DATASHEET上一般會(huì)提供頻率和阻抗的特性曲線圖,一般以100MHz為標(biāo)準(zhǔn),比如是在100MHz頻率的時(shí)候磁珠的阻抗相當(dāng)于1000歐姆。
針對(duì)我們所要濾波的頻段需要選取磁珠阻抗越大越好,通常情況下選取600歐姆阻抗以上的。
另外選擇磁珠時(shí)需要注意磁珠的通流量,一般需要降額80%處理,用在電源電路時(shí)要考慮直流阻抗對(duì)壓降影響。
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