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如何利用磁珠和电感解决EMI和EMC

磁珠和电感在解决EMI和EMC方面的作用有什么区别,各有什么特点,是不是使用磁珠的效果会更好一点呢? 磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰,还具有吸收静电脉冲的能力。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(DDRSDRAM,RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠,而电感是一种蓄能元件,用在LC振荡电路,中低频的滤波电路等,其应用频率范围很少超过50MHZ. 磁珠有很高的电阻率和磁导率,等效于电阻和电感串联,但电阻值和电感值都随频率变化。 磁珠的功能主要是消除存在于传输线结构(电路)中的RF噪声,RF能量是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分,直流成分是需要的有用信号,而射频RF能量却是无用的电磁干扰沿着线路传输和辐射(EMI)。要消除这些不需要的信号能量,使用片式磁珠扮演高频电阻的角色(衰减器),该器件允许直流信号通过,而滤除交流信号。通常高频信号为30MHz以上,然而,低频信号也会受到片式磁珠的影响。磁珠有很高的电阻率和磁导率,他等效于电阻和电感串联,但电阻值和电感值都随频率变化。他比普通的电感有更好的高频滤波特性,在高频时呈现阻性,所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗,从而提高调频滤波效果。 磁珠可等效成一个电感,但这个等效电感与电感线圈是有区别的,磁珠与电感线圈的最大区别就是,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。

电感器(电感线圈)和变压器均是用绝缘导线(例如漆包线、纱包线等)绕制而成的电磁感应元件,也是电子电路中常用的元器件之一,相关产品如共模滤波器等。当线圈中有电流通过时,线圈的周围就会产生磁场。当线圈中电流发生变化时,其周围的磁场也产生相应的变化,此变化的磁场可使线圈自身产生感应电动势(电动势用以表示有源元件理想电源的端电压),这就是自感。两个电感线圈相互靠近时,一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈,这种影响就是互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度,利用此原理制成的元件叫做互感器。 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 。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。

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。

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。 由此可知,电感线圈主要是用于对低频干扰信号进行EMI抑制,而磁珠主要是对高频干扰信号进行EMI抑制,因此,对一个频带很宽的干扰信号进行EMI抑制,必须同时采用多个不同性质的电感才会有效。另外,对共模传导干扰信号进行EMI抑制,还要注意抑制电感与Y电容的连接位置。Y电容和抑制电感尽量靠近电源的输入端,即电源插座的位置,并且高频电感要尽量靠近Y电容,而Y电容还要尽量靠近与大地连接的地线(三心电源线的地线),这对EMI抑制才有效。

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