【導(dǎo)讀】電磁兼容性元器件是解決電磁干擾發(fā)射和電磁敏感度問(wèn)題的關(guān)鍵,正確選擇和使用這些元器件是做好電磁兼容性設(shè)計(jì)的前提。因此,我們必須深入掌握這些元器件,這樣才有可能設(shè)計(jì)出符合標(biāo)準(zhǔn)要求、性能價(jià)格比最優(yōu)的電子、電氣產(chǎn)品。而每一種電子元件都有它各自的特性,因此,要求在設(shè)計(jì)時(shí)仔細(xì)考慮。接下來(lái)我們將討論一些常見(jiàn)的用來(lái)減少或抑制電磁兼容性的電子元件和電路設(shè)計(jì)技術(shù)。
目前有兩種基本的電子元件組:有引腳的和無(wú)引腳的元件。有引腳線元件有寄生效果,尤其在高頻時(shí)。該引腳形成了一個(gè)小電感,大約是1nH/mm/引腳。引腳的末端也能產(chǎn)生一個(gè)小電容性的效應(yīng),大約有4pF。因此,引腳的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能的短。與有引腳的元件相比,無(wú)引腳且表面貼裝的元件的寄生效果要小一些。其典型值為:0.5nH的寄生電感和約0.3pF的終端電容。
從電磁兼容性的觀點(diǎn)看,表面貼裝元件效果最好,其次是放射狀引腳元件,最后是軸向平行引腳的元件。
EMC元件之電容選型
在EMC設(shè)計(jì)中,電容是應(yīng)用最廣泛的元件之一,主要用于構(gòu)成各種低通濾波器或用作去耦電容和旁路電容。大量實(shí)踐表明:在EMC設(shè)計(jì)中,恰當(dāng)選擇與使用電容,不僅可解決許多EMI問(wèn)題,而且能充分體現(xiàn)效果良好、價(jià)格低廉、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。若電容的選擇或使用不當(dāng),則可能根本達(dá)不到預(yù)期的目的,甚至?xí)觿?EMI程度。
從理論上講,電容的容量越大,容抗就越小,濾波效果就越好。一些人也有這種習(xí)慣認(rèn)識(shí)。但是,容量大的電容一般寄生電感也大,自諧振頻率低(如典型的陶瓷電容,0.1μF的f0=5 MHz,0.01μF的f0=15 MHz,0.001μF的f0=50 MHz),對(duì)高頻噪聲的去耦效果差,甚至根本起不到去耦作用。分立元件的濾波器在頻率超過(guò)10 MHz時(shí),將開(kāi)始失去性能。元件的物理尺寸越大,轉(zhuǎn)折點(diǎn)頻率越低。這些問(wèn)題可以通過(guò)選擇特殊結(jié)構(gòu)的電容來(lái)解決。
貼片電容的寄生電感幾乎為零,總的電感也可以減小到元件本身的電感,通常只是傳統(tǒng)電容寄生電感的1/3~1/5,自諧振頻率可達(dá)同樣容量的帶引線電容的2倍(也有資料說(shuō)可達(dá)10倍),是射頻應(yīng)用的理想選擇。
傳統(tǒng)上,射頻應(yīng)用一般選擇瓷片電容。但在實(shí)踐中,超小型聚脂或聚苯乙烯薄膜電容也是適用的,因?yàn)樗鼈兊某叽缗c瓷片電容相當(dāng)。
三端電容能將小瓷片電容頻率范圍從50 MHz以下拓展到200 MHz以上,這對(duì)抑制VHF頻段的噪聲是很有用的。要在VHF或更高的頻段獲得更好的濾波效果,特別是保護(hù)屏蔽體不被穿透,必須使用饋通電容。
EMC元件之電感選型
電感是一種可以將磁場(chǎng)和電場(chǎng)聯(lián)系起來(lái)的元件,其固有的、可以與磁場(chǎng)互相作用的能力使其潛在地比其他元件更為敏感。和電容類似,聰明地使用電感也能解決許多 EMC問(wèn)題。下面是兩種基本類型的電感:開(kāi)環(huán)和閉環(huán)。它們的不同在于內(nèi)部的磁場(chǎng)環(huán)。在開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)中,磁場(chǎng)通過(guò)空氣閉合;而閉環(huán)設(shè)計(jì)中,磁場(chǎng)通過(guò)磁芯完成磁路。
電感中的磁場(chǎng)
電感比起電容一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它沒(méi)有寄生感抗,因此其表面貼裝類型和引線類型沒(méi)有什么差別。
開(kāi)環(huán)電感的磁場(chǎng)穿過(guò)空氣,這將引起輻射并帶來(lái)電磁干擾(EMI)問(wèn)題。在選擇開(kāi)環(huán)電感時(shí),繞軸式比棒式或螺線管式更好,因?yàn)檫@樣磁場(chǎng)將被控制在磁芯(即磁體內(nèi)的局部磁場(chǎng))。
開(kāi)環(huán)電感
對(duì)閉環(huán)電感來(lái)說(shuō),磁場(chǎng)被完全控制在磁心,因此在電路設(shè)計(jì)中這種類型的電感更理想,當(dāng)然它們也比較昂貴。螺旋環(huán)狀的閉環(huán)電感的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是:它不僅將磁環(huán)控制在磁心,還可以自行消除所有外來(lái)的附帶場(chǎng)輻射。
電感的磁芯材料主要有兩種類型:鐵和鐵氧體。鐵磁芯電感用于低頻場(chǎng)合(幾十KHz),而鐵氧體磁芯電感用于高頻場(chǎng)合(到MHz)。因此鐵氧體磁芯電感更適合于EMC應(yīng)用。
在EMC應(yīng)用中特別使用了兩種特殊的電感類型:鐵氧體磁珠和鐵氧體磁夾。鐵和鐵氧體可作電感磁芯骨架。鐵芯電感常應(yīng)用于低頻場(chǎng)合(幾十KHz),而鐵氧體芯電感常應(yīng)用于高頻場(chǎng)合(MHz)。所以鐵氧芯感應(yīng)體更適合于EMC應(yīng)用。
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EMC元件之磁珠選型
磁珠由氧磁體組成,電感由磁心和線圈組成,磁珠把交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為熱能,電感把交流存儲(chǔ)起來(lái),再緩慢的釋放。
磁珠的電路符號(hào)就是電感但是型號(hào)上可以看出使用的是磁珠在電路功能上,磁珠和電感是原理相同的,只是頻率特性不同罷了。
電感是儲(chǔ)能元件,而磁珠是能量轉(zhuǎn)換(消耗)器件。電感多用于電源濾波回路,側(cè)重于抑止傳導(dǎo)性干擾;磁珠多用于信號(hào)回路,主要用于EMI方面。磁珠用來(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(DDR,SDRAM,RAMBUS等)都需要在電源輸入部分加磁珠,而電感是一種儲(chǔ)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。
EMC元件之TVS二極管選型
二極管是最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體器件。由于其獨(dú)特的特性,某些二極管有助于解決并防止與EMC相關(guān)的一些問(wèn)題。
TVS二極管的選型步驟如下:
1. 確定待保護(hù)電路的直流電壓或持續(xù)工作電壓。如果是交流電,應(yīng)計(jì)算出最大值,即用有效值*1.414。
2. TVS的反向變位電壓即工作電壓(VRWM)--選擇TVS的VRWM等于或大于上述步驟1所規(guī)定的操作電壓。這就保證了在正常工作條件下TVS吸收的電流可忽略不計(jì),如果步驟1所規(guī)定的電壓高于TVS的VRWM ,TVS將吸收大量的漏電流而處于雪崩擊穿狀態(tài),從而影響電路的工作。
3. 最大峰值脈沖功率:確定電路的干擾脈沖情況,根據(jù)干擾脈沖的波形、脈沖持續(xù)時(shí)間,確定能夠有效抑制該干擾的TVS峰值脈沖功率。
4. 所選TVS的最大箝位電壓(VC)應(yīng)低于被保護(hù)電路所允許的最大承受電壓。
5. 單極性還是雙極性-常常會(huì)出現(xiàn)這樣的誤解即雙向TVS用來(lái)抑制反向浪涌脈沖,其實(shí)并非如此。雙向TVS用于交流電或來(lái)自正負(fù)雙向脈沖的場(chǎng)合。TVS有時(shí)也用于減少電容。如果電路只有正向電平信號(hào),那麼單向TVS就足夠了。TVS操作方式如下:正向浪涌時(shí),TVS處于反向雪崩擊穿狀態(tài);反向浪涌時(shí),TVS類似正向偏置二極管一樣導(dǎo)通并吸收浪涌能量。在低電容電路里情況就不是這樣了。應(yīng)選用雙向TVS以保護(hù)電路中的低電容器件免受反向浪涌的損害。
6. 如果知道比較準(zhǔn)確的浪涌電流IPP,那么可以利用VC來(lái)確定其功率,如果無(wú)法確定功率的概范圍,一般來(lái)說(shuō),選擇功率大一些比較好。