EMC設計電路中消滅電磁幹擾的三大利器

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EMC設計電路中消滅電磁幹擾的三大利器

胡薇 發表於 2018-05-23 11:37:29

濾波電容器、共模電感、磁珠在EMC設計電路中是常見的身影，也是消滅電磁幹擾的三大利器。對於這這三者在電路中的作用，相信還有很多工程師搞不清楚。本文從設計設計中，詳細分析了消滅EMC三大利器的原理。

三大利器之濾波電容器

儘管從濾除高頻噪聲的角度看，電容的諧振是不希望的，但是電容的諧振並不是總是有害的。當要濾除的噪聲頻率確定時，可以通過調整電容的容量，使諧振點剛好落在騷擾頻率上。

在實際工程中，要濾除的電磁噪聲頻率往往高達數百MHz，甚至超過1GHz。對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，是因為兩個原因，一個原因是電容引線電感造成電容諧振，對高頻信號呈現較大的阻抗，削弱了對高頻信號的旁路作用；另一個原因是導線之間的寄生電容使高頻信號發生耦合，降低了濾波效果。

穿心電容之所以能有效地濾除高頻噪聲，是因為穿心電容不僅沒有引線電感造成電容諧振頻率過低的問題，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，要注意的問題是安裝問題。穿心電容最大的弱點是怕高溫和溫度衝擊，這在將穿心電容往金屬面板上焊接時造成很大困難。許多電容在焊接過程中發生損壞。特別是當需要將大量的穿心電容安裝在面板上時，只要有一個損壞，就很難修復，因為在將損壞的電容拆下時，會造成鄰近其它電容的損壞。

三大利器之共模電感

由於EMC所面臨解決問題大多是共模幹擾，因此共模電感也是我們常用的有力元件之一，共模電感是一個以鐵氧體為磁芯的共模幹擾抑制器件，它由兩個尺寸相同，匝數相同的線圈對稱地繞制在同一個鐵氧體環形磁芯上，形成一個四端器件，要對於共模信號呈現出大電感具有抑制作用，而對於差模信號呈現出很小的漏電感幾乎不起作用。原理是流過共模電流時磁環中的磁通相互疊加，從而具有相當大的電感量，對共模電流起到抑制作用，而當兩線圈流過差模電流時，磁環中的磁通相互抵消，幾乎沒有電感量，所以差模電流可以無衰減地通過。因此共模電感在平衡線路中能有效地抑制共模幹擾信號，而對線路正常傳輸的差模信號無影響。

共模電感在製作時應滿足以下要求：

1）繞制在線圈磁芯上的導線要相互絕緣，以保證在瞬時過電壓作用下線圈的匝間不發生擊穿短路。2）當線圈流過瞬時大電流時，磁芯不要出現飽和。3）線圈中的磁芯應與線圈絕緣，以防止在瞬時過電壓作用下兩者之間發生擊穿。4）線圈應儘可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強線圈對瞬時過電壓的而授能力。

通常情況下，同時注意選擇所需濾波的頻段，共模阻抗越大越好，因此我們在選擇共模電感時需要看器件資料，主要根據阻抗頻率曲線選擇。另外選擇時注意考慮差模阻抗對信號的影響，主要關注差模阻抗，特別注意高速埠。

三大利器之磁珠

在產品數字電路EMC設計過程中，我們常常會使用到磁珠，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生的電容最小。鐵氧體材料通常在高頻情況下應用，因為在低頻時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並且隨頻率改變。實際應用中，鐵氧體材料是作為射頻電路的高頻衰減器使用的。實際上，鐵氧體較好的等效於電阻以及電感的並聯，低頻下電阻被電感短路，高頻下電感阻抗變得相當高，以至於電流全部通過電阻。鐵氧體是一個消耗裝置，高頻能量在上面轉化為熱能，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。鐵氧體在高頻時呈現電阻性，相當於品質因數很低的電感器，所以能在相當寬的頻率範圍內保持較高的阻抗，從而提高高頻濾波效能。 在低頻段，阻抗由電感的感抗構成，低頻時R很小，磁芯的磁導率較高，因此電感量較大，L起主要作用，電磁幹擾被反射而受到抑制；並且這時磁芯的損耗較小，整個器件是一個低損耗、高Q特性的電感，這種電感容易造成諧振因此在低頻段，有時可能出現使用鐵氧體磁珠後幹擾增強的現象。 在高頻段，阻抗由電阻成分構成，隨著頻率升高，磁芯的磁導率降低，導致電感的電感量減小，感抗成分減小。但是，這時磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導致總的阻抗增加，當高頻信號通過鐵氧體時，電磁幹擾被吸收並轉換成熱能的形式耗散掉。

鐵氧體抑制元件廣泛應用於印製電路板、電源線和數據線上。如在印製板的電源線入口端加上鐵氧體抑制元件，就可以濾除高頻幹擾。鐵氧體磁環或磁珠專用於抑制信號線、電源線上的高頻幹擾和尖峰幹擾，它也具有吸收靜電放電脈衝幹擾的能力。

使用片式磁珠還是片式電感主要還在於實際應用場合。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，使用片式磁珠是最佳的選擇。片式磁珠和片式電感的應用場合：片式電感： 射頻（RF）和無線通訊，信息技術設備，雷達檢波器，汽車電子，蜂窩電話，尋呼機，音頻設備，PDAs（個人數字助理），無線遙控系統以及低壓供電模塊等。片式磁珠：時鐘發生電路，模擬電路和數字電路之間的濾波，I/O輸入/輸出內部連接器（比如串口，並口，鍵盤，滑鼠，長途電信，本地區域網），射頻（RF）電路和易受幹擾的邏輯設備之間，供電電路中濾除高頻傳導幹擾，計算機，印表機，錄像機（VCRS），電視系統和手提電話中的EMI噪聲抑止。

磁珠的單位是歐姆，因為磁珠的單位是按照它在某一頻率產生的阻抗來標稱的，阻抗的單位也是歐姆。磁珠的DATASHEET上一般會提供頻率和阻抗的特性曲線圖，一般以100MHz為標準，比如是在100MHz頻率的時候磁珠的阻抗相當於1000歐姆。針對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，用在電源電路時要考慮直流阻抗對壓降影響。

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