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        電磁兼容性設計的元件選擇

        -2018-10-31-

        電子線路設計者往往只考慮產品的功能,而沒有將功能和電磁兼容性(即EMC,是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行并不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力)綜合考慮,因此產品在完成其功能的同時,也產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計應從幾方面考慮,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,它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:

         ?。?)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;

         ?。?)當線圈流過瞬時大電流時,磁芯不要出現飽和;

         ?。?)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;

         ?。?)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承受能力。

          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。

          2、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,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生的電容小。

          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,使用片式磁珠是合適的選擇。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。

          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。

          隨著電子設備復雜程度的提高,設備內部強弱電混合安裝、數字邏輯電路混合安裝的情況越來越多,電路模塊之間的相互騷擾成為嚴重的問題。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的電路隔離開。但是所有穿過隔離艙的導線要通過穿心電容,否則會造成隔離失效。當不同電路模塊之間有大量的聯線時,在隔離艙上安裝大量的穿心電容是十分困難的事情。為了解決這個問題,國外許多廠商開發了“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成的器件,使用濾波陣列板能夠輕而易舉地解決大量導線穿過金屬面板的問題。但是這種濾波陣列板的價格往往較高。

        EMC器件有好幾種,噪聲的強度和類型不同,適用的器件也是不同的。比如,針對低頻的噪聲,如頻率是幾十KHz的噪聲,要選擇電容或電感,而不應該是磁珠;磁珠主要用來濾除一般電源線或信號線上的噪音,適合應用于高頻的噪聲環境中,比如頻率是幾十MHz到幾GHz的場合。但是,磁珠對于濾除差分信號線的噪聲,效果就不好。這時候,就應該選擇共模扼流線圈,共模扼流線圈是專門用來濾除差分信號線上的噪聲的。普通的EMC器件是不能夠濾除差分信號線上的共模噪聲的。所以,一定要根據具體的噪聲類型和頻率范圍來選擇合適的EMC器件。

        上海海悅電子科技有限公司成立于2006年,公司自成立至今一直專注于安規與電磁兼容測試設備的研發、生產和銷售,公司的主要人員具有近20年的從業經歷,有著豐富的實踐經驗,已經成功給多家大型認證實驗室提供過測試設備的規劃以及相應試驗設備供應,公司自行生產數百種各類安規設備、試驗儀器,并承接非標定制試驗設備。

        公司同時代理銷售國內外多家知名的安規設備廠商產品,包括:美國COMPWEST、意大利ATS、美國ED&D、臺灣鯨揚、日本SOKEN、日本KIKUSUI、日本YOGOGAWA、臺灣艾普斯、日本SOKEN、日本ESPEC等等。

        公司在電磁兼容領域提供完整的EMI與EMS設備,代理供應包括歐洲EM-TEST、意大利AFJ、德國FRANKONIA、瑞士EMC-PARTNER、日本MORITA等眾多廠家產品,同時公司也是北京科環在華東區銷售網點。


         

         屏蔽室JP-88B


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