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            EMC的三大利器:電容器/電感/磁珠

            閱讀:1267      發布時間:2023-9-20
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            濾波電容器、共模電感、磁珠在EMC設計電路中是常見的身影,也是消滅電磁干擾的三大利器。

            對于這三者在電路中的作用,相信還有很多工程師搞不清楚,文章從設計中詳細分析了消滅EMC三大利器的原理。

            1、 濾波電容


            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:

            (1)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;

            (2)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沖擊,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。 










            2、 共模電感


            由于EMC所面臨解決問題大多是共模干擾,因此共模電感也是我們常用的有力元件之一。

            共模電感是一個以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件,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,要對于共模信號呈現出大電感具有抑制作用,而對于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干擾信號,而對線路正常傳輸的差模信號無影響。

            共模電感在制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)線圈應盡可能繞制單層,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,特別注意高速端口









             3、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并且隨頻率改變。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,鐵氧體較好的等效于電阻以及電感的并聯,低頻下電阻被電感短路,高頻下電感阻抗變得相當高,以至于電流全部通過電阻。

            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,相當于品質因數很低的電感器,所以能在相當寬的頻率范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,電磁干擾被反射而受到抑制;并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后干擾增強的現象。

            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,電磁干擾被吸收并轉換成熱能的形式耗散掉。

            鐵氧體抑制元件廣泛應用于印制電路板、電源線和數據線上。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。

            鐵氧體磁環或磁珠專用于抑制信號線、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



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