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      直流開關電源EMC設計重點:電感、電容、磁珠

      濾波電容器、共模電感、磁珠在直流開關電源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,詳細分析了消滅直流開關電源EMC三大利器的原理。


      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。


      三大利器之共模電感

      由于直流開關電源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。


      三大利器之磁珠

      在產品數字電路直流開關電源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: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,并口,鍵盤,鼠標,長途電信,本地局域網),射頻(RF)電路和易受干擾的邏輯設備之間,供電電路中濾除高頻傳導干擾,計算機,打印機,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于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。

      圖片加載中...

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