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抑制EMI和EMC干扰信号的处理方法

磁珠和电感在解决EMI和EMC方面起到什么作用呢?首先我们来看看磁珠和电感的区别,电感是闭合回路的一种属性,多用于电源滤波回路,而磁珠主要多用于信号回路,用于EMC对策磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰,而电感用于这方面则侧重于抑制传导性干扰。磁珠是用来吸收超高频信号,象一些RF电路,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDR SDRAM,RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠,两者都可用于处理EMC、EMI问题。

磁珠和电感在EMI和EMC电路中关键是是对高频传导干扰信号进行抑制,也有抑制电感的作用。但从原理方面来看,磁珠可等效成一个电感,等于还是存在一定的区别,最大区别在于电感线圈有分布电容。因此,电感线圈就相当于一个电感与一个分布电容并联。如图1所示。图1中,LX为电感线圈的等效电感(理想电感),RX为线圈的等效电阻,CX为电感的分布电容。

图1 电感线圈的等效电路图

图1 电感线圈的等效电路图

理论上对传导干扰信号进行抑制,要求抑制电感的电感量越大越好,但对于电感线圈来说,电感量越大,则电感线圈的分布电容也越大,两者的作用将会互相抵消。

图2 普通电感线圈的阻抗与频率的关系图

图2 普通电感线圈的阻抗与频率的关系图

图2是普通电感线圈的阻抗与频率的关系图,由图中可以看出,电感线圈的阻抗开始的时候是随着频率升高而增大的,但当它的阻抗增大到最大值以后,阻抗反而随着频率升高而迅速下降,这是因为并联分布电容的作用。当阻抗增到最大值的地方,就是电感线圈的分布电容与等效电感产生并联谐振的地方。图中,L1 > L2 > L3,由此可知电感线圈的电感量越大,其谐振频率就越低。从图2中可以看出,如果要对频率为1MHz的干扰信号进行抑制,选用L1倒不如选用L3,因为L3的电感量要比L1小十几倍,因此L3的成本也要比L1低很多。

如果我们还要对抑制频率进一步提高,那么我们最后选用的电感线圈就只好是它的最小极限值,只有1圈或不到1圈了。磁珠,即穿心电感,就是一个匝数小于1圈的电感线圈。但穿心电感比单圈电感线圈的分布电容小好几倍到几十倍,因此,穿心电感比单圈电感线圈的工作频率更高。

穿心电感的电感量一般都比较小,大约在几微亨到几十微亨之间,电感量大小与穿心电感中导线的大小以及长度,还有磁珠的截面积都有关系,但与磁珠电感量关系最大的还要算磁珠的相对导磁率Uy.图3、图4是分别是指导线和穿心电感的原理图,计算穿心电感时,首先要计算一根圆截面直导线的电感,然后计算结果乘上磁珠相对导磁率 就可以求出穿心电感的电感量。

图3 圆截面直导线的电感图

图3 圆截面直导线的电感图

图4 磁珠穿心电感图

图4 磁珠穿心电感图

另外,当穿心电感的工作频率很高时,在磁珠体内还会产生涡流,这相当于穿心电感的导磁率要降低,此时,我们一般都使用有效导磁率。有效导磁率 就是在某个工作频率之下,磁珠的相对导磁率。但由于磁珠的工作频率都只是一个范围,因此在实际应用中多用平均导磁率 .

在低频时,一般磁珠的相对导磁率都很大(大于100),但在高频时其有效导磁率只有相对导磁率的几分之一,甚至几十分之一。因此,磁珠也有截止频率的问题,所谓截止频率,就是使磁珠的有效导磁率下降到接近1时的工作频率fc,此时磁珠已经失去一个电感的作用。一般磁珠的截止频率fc都在30~300MHz之间,截止频率的高低与磁珠的材料有关,一般导磁率越高的磁芯材料,其截止频率fc反而越低,因为低频磁芯材料涡流损耗比较大。使用者在进行电路设计的时候,可要求磁芯材料的提供商提供磁芯工作频率与有效导磁率 的测试数据,或穿心电感在不同工作频率之下的曲线图。图5是穿心电感的频率曲线图。

图5 穿心电感的频率曲线图

图5 穿心电感的频率曲线图

磁珠另一个用途就是用来做电磁屏蔽,它的电磁屏蔽效果比屏蔽线的屏蔽效果还要好,这是一般人不太注意的。其使用方法就是让一双导线从磁珠中间穿过,那么当有电流从双导线中流过时,其产生的磁场将大部份集中在磁珠体内,磁场不会再向外辐射;由于磁场在磁珠体内会产生涡流,涡流产生电力线的方向与导体表面电力线的方向正好相反,互相可以抵消,因此,磁珠对于电场同样有屏蔽作用,即:磁珠对导体中的电磁场有很强的屏蔽作用。

使用磁珠进行电磁屏蔽的优点是磁珠不用接地,可以免去屏蔽线要求接地的麻烦。用磁珠作为电磁屏蔽,对于双导线来说,还相当于在线路中接了一个共模抑制电感,对共模干扰信号有很强的抑制作用。

从上述我们可以了解到,磁珠和电感在EMC、EMI电路中都能起到抑制的作用,主要是抑制方面的不同,而电感在高频谐振以后都不能再起电感的作用了,先必需明白EMI的两个途径,即:辐射和传导,不同的途径采用不同的抑制方法。前者用磁珠,后者用电感。还需我们注意的地方是共模抑制电感与Y电容的连接位置,那什么是共模抑制电感,就是在地线或其它输入输出线之间串联电感,这个电感称为共模抑制电感,共模抑制电感的一端与机器中的地线(公共端)相连,另一端与一个Y电容相连,Y电容的另一端与大地相连。这是抑制传导干扰的最有效方法。