中心議題:
- 電磁兼容性設(shè)計(jì)的共模電感選擇
- 電磁兼容性設(shè)計(jì)的磁珠選擇
- 電磁兼容性設(shè)計(jì)的濾波電容器設(shè)計(jì)
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電子線路設(shè)計(jì)者往往只考慮產(chǎn)品的功能,而沒(méi)有將功能和電磁兼容性(即EMC,是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力)綜合考慮,因此產(chǎn)品在完成其功能的同時(shí),也產(chǎn)生了大量的功能性騷擾及其它騷擾。而且,不能滿足敏感度要求。電子線路的電磁兼容性設(shè)計(jì)應(yīng)從幾方面考慮,在此我們主要研究元器件的選擇。
1、共模電感
由于EMC所面臨的問(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。這里就給大家簡(jiǎn)單介紹一下共模電感的原理以及使用情況。
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,它對(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)電壓的承受能力。
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。
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2、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,那么磁珠濾波的原理以及如何使用呢?
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,它可以使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)他們主要呈電感特性,使得線上的損耗很小。在高頻情況下,它們主要呈電抗特性,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,這是由它的電阻特性決定的。
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。
3、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。
隨著電子設(shè)備復(fù)雜程度的提高,設(shè)備內(nèi)部強(qiáng)弱電混合安裝、數(shù)字邏輯電路混合安裝的情況越來(lái)越多,電路模塊之間的相互騷擾成為嚴(yán)重的問(wèn)題。解決這種電路模塊相互騷擾的方法之一是用金屬隔離艙將不同性質(zhì)的電路隔離開(kāi)。但是所有穿過(guò)隔離艙的導(dǎo)線要通過(guò)穿心電容,否則會(huì)造成隔離失效。當(dāng)不同電路模塊之間有大量的聯(lián)線時(shí),在隔離艙上安裝大量的穿心電容是十分困難的事情。為了解決這個(gè)問(wèn)題,國(guó)外許多廠商開(kāi)發(fā)了“濾波陣列板”,這是用特殊工藝事先將穿心電容焊接在一塊金屬板構(gòu)成的器件,使用濾波陣列板能夠輕而易舉地解決大量導(dǎo)線穿過(guò)金屬面板的問(wèn)題。但是這種濾波陣列板的價(jià)格往往較高。
EMC器件有好幾種,噪聲的強(qiáng)度和類型不同,適用的器件也是不同的。比如,針對(duì)低頻的噪聲,如頻率是幾十KHz的噪聲,要選擇電容或電感,而不應(yīng)該是磁珠;磁珠主要用來(lái)濾除一般電源線或信號(hào)線上的噪音,適合應(yīng)用于高頻的噪聲環(huán)境中,比如頻率是幾十MHz到幾GHz的場(chǎng)合。但是,磁珠對(duì)于濾除差分信號(hào)線的噪聲,效果就不好。這時(shí)候,就應(yīng)該選擇共模扼流線圈,共模扼流線圈是專門用來(lái)濾除差分信號(hào)線上的噪聲的。普通的EMC器件是不能夠?yàn)V除差分信號(hào)線上的共模噪聲的。所以,一定要根據(jù)具體的噪聲類型和頻率范圍來(lái)選擇合適的EMC器件。