如何辨別EMI和EMC電路中磁珠和電感起到的不同作用

2017-07-01 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

磁珠和電感在解決EMI和EMC方面各與什么作用,首先我們來看看磁珠和電感的區(qū)別,電感是閉合回路的一種屬性,多用于電源濾波回路,而磁珠主要多用于信號回路,用于EMC對策磁珠主要用于抑制電磁輻射干擾,而電感用于這方面則側(cè)重于抑制傳導(dǎo)性干擾。磁珠是用來吸收超高頻信號,象一些RF電路,PLL,振蕩電路,含超高頻存儲(chǔ)器電路(DDR SDRAM,RAMBUS等)都需要在電源輸入部分加磁珠,兩者都可用于處理EMC、EMI問題。

磁珠和電感在EMI和EMC電路中關(guān)鍵是是對高頻傳導(dǎo)干擾信號進(jìn)行抑制,也有抑制電感的作用。但從原理方面來看,磁珠可等效成一個(gè)電感,等于還是存在一定的區(qū)別,最大區(qū)別在于電感線圈有分布電容。因此,電感線圈就相當(dāng)于一個(gè)電感與一個(gè)分布電容并聯(lián)。如圖1所示。圖1中,LX為電感線圈的等效電感(理想電感),RX為線圈的等效電阻,CX為電感的分布電容。

圖1 電感線圈的等效電路圖

理論上對傳導(dǎo)干擾信號進(jìn)行抑制,要求抑制電感的電感量越大越好,但對于電感線圈來說,電感量越大,則電感線圈的分布電容也越大,兩者的作用將會(huì)互相抵消。

圖2 普通電感線圈的阻抗與頻率的關(guān)系圖

圖2是普通電感線圈的阻抗與頻率的關(guān)系圖,由圖中可以看出,電感線圈的阻抗開始的時(shí)候是隨著頻率升高而增大的,但當(dāng)它的阻抗增大到最大值以后,阻抗反而隨著頻率升高而迅速下降,這是因?yàn)椴⒙?lián)分布電容的作用。當(dāng)阻抗增到最大值的地方,就是電感線圈的分布電容與等效電感產(chǎn)生并聯(lián)諧振的地方。圖中,L1 > L2 > L3,由此可知電感線圈的電感量越大,其諧振頻率就越低。從圖2中可以看出,如果要對頻率為1MHZ的干擾信號進(jìn)行抑制,選用L1倒不如選用L3,因?yàn)長3的電感量要比L1小十幾倍,因此L3的成本也要比L1低很多。

如果我們還要對抑制頻率進(jìn)一步提高,那么我們最后選用的電感線圈就只好是它的最小極限值,只有1圈或不到1圈了。磁珠,即穿心電感,就是一個(gè)匝數(shù)小于1圈的電感線圈。但穿心電感比單圈電感線圈的分布電容小好幾倍到幾十倍,因此,穿心電感比單圈電感線圈的工作頻率更高。

穿心電感的電感量一般都比較小,大約在幾微亨到幾十微亨之間,電感量大小與穿心電感中導(dǎo)線的大小以及長度,還有磁珠的截面積都有關(guān)系,但與磁珠電感量關(guān)系最大的還要算磁珠的相對導(dǎo)磁率Uy.圖3、圖4是分別是指導(dǎo)線和穿心電感的原理圖,計(jì)算穿心電感時(shí),首先要計(jì)算一根圓截面直導(dǎo)線的電感,然后計(jì)算結(jié)果乘上磁珠相對導(dǎo)磁率就可以求出穿心電感的電感量。

圖3 圓截面直導(dǎo)線的電感圖

圖4 磁珠穿心電感圖

另外,當(dāng)穿心電感的工作頻率很高時(shí),在磁珠體內(nèi)還會(huì)產(chǎn)生渦流,這相當(dāng)于穿心電感的導(dǎo)磁率要降低,此時(shí),我們一般都使用有效導(dǎo)磁率。有效導(dǎo)磁率就是在某個(gè)工作頻率之下,磁珠的相對導(dǎo)磁率。但由于磁珠的工作頻率都只是一個(gè)范圍,因此在實(shí)際應(yīng)用中多用平均導(dǎo)磁率。

在低頻時(shí),一般磁珠的相對導(dǎo)磁率都很大(大于100),但在高頻時(shí)其有效導(dǎo)磁率只有相對導(dǎo)磁率的幾分之一,甚至幾十分之一。因此,磁珠也有截止頻率的問題,所謂截止頻率,就是使磁珠的有效導(dǎo)磁率下降到接近1時(shí)的工作頻率fc,此時(shí)磁珠已經(jīng)失去一個(gè)電感的作用。一般磁珠的截止頻率fc都在30~300MHz之間,截止頻率的高低與磁珠的材料有關(guān),一般導(dǎo)磁率越高的磁芯材料,其截止頻率fc反而越低,因?yàn)榈皖l磁芯材料渦流損耗比較大。使用者在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時(shí)候,可要求磁芯材料的提供商提供磁芯工作頻率與有效導(dǎo)磁率的測試數(shù)據(jù),或穿心電感在不同工作頻率之下的曲線圖。圖5是穿心電感的頻率曲線圖。

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圖5 穿心電感的頻率曲線圖

磁珠另一個(gè)用途就是用來做電磁屏蔽,它的電磁屏蔽效果比屏蔽線的屏蔽效果還要好,這是一般人不太注意的。其使用方法就是讓一雙導(dǎo)線從磁珠中間穿過,那么當(dāng)有電流從雙導(dǎo)線中流過時(shí),其產(chǎn)生的磁場將大部份集中在磁珠體內(nèi),磁場不會(huì)再向外輻射;由于磁場在磁珠體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生渦流,渦流產(chǎn)生電力線的方向與導(dǎo)體表面電力線的方向正好相反,互相可以抵消,因此,磁珠對于電場同樣有屏蔽作用,即:磁珠對導(dǎo)體中的電磁場有很強(qiáng)的屏蔽作用。

使用磁珠進(jìn)行電磁屏蔽的優(yōu)點(diǎn)是磁珠不用接地,可以免去屏蔽線要求接地的麻煩。用磁珠作為電磁屏蔽,對于雙導(dǎo)線來說,還相當(dāng)于在線路中接了一個(gè)共模抑制電感,對共模干擾信號有很強(qiáng)的抑制作用。

從上述我們可以了解到,磁珠和電感在EMC、EMI電路中都能起到抑制的作用,主要是抑制方面的不同,而電感在高頻諧振以后都不能再起電感的作用了,先必需明白EMI的兩個(gè)途徑,即:輻射和傳導(dǎo),不同的途徑采用不同的抑制方法。前者用磁珠,后者用電感。還需我們注意的地方是共模抑制電感與Y電容的連接位置,那什么是共模抑制電感,就是在地線或其它輸入輸出線之間串聯(lián)電感,這個(gè)電感稱為共模抑制電感,共模抑制電感的一端與機(jī)器中的地線(公共端)相連,另一端與一個(gè)Y電容相連,Y電容的另一端與大地相連。這是抑制傳導(dǎo)干擾的最有效方法。

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