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:互聯網

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重于抑制傳導性干擾。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電路中關鍵是是對高頻傳導干擾信號進行抑制,也有抑制電感的作用。但從原理方面來看,磁珠可等效成一個電感,等于還是存在一定的區別,最大區別在于電感線圈有分布電容。因此,電感線圈就相當于一個電感與一個分布電容并聯。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

理論上對傳導干擾信號進行抑制,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,兩者的作用將會互相抵消。

圖2 普通電感線圈的阻抗與頻率的關系圖

圖2是普通電感線圈的阻抗與頻率的關系圖,由圖中可以看出,電感線圈的阻抗開始的時候是隨著頻率升高而增大的,但當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,這是因為并聯分布電容的作用。當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生并聯諧振的地方。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的干擾信號進行抑制,選用L1倒不如選用L3,因為L3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,就是一個匝數小于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線的大小以及長度,還有磁珠的截面積都有關系,但與磁珠電感量關系最大的還要算磁珠的相對導磁率Uy.圖3、圖4是分別是指導線和穿心電感的原理圖,計算穿心電感時,首先要計算一根圓截面直導線的電感,然后計算結果乘上磁珠相對導磁率就可以求出穿心電感的電感量。

圖3 圓截面直導線的電感圖

圖4 磁珠穿心電感圖

另外,當穿心電感的工作頻率很高時,在磁珠體內還會產生渦流,這相當于穿心電感的導磁率要降低,此時,我們一般都使用有效導磁率。有效導磁率就是在某個工作頻率之下,磁珠的相對導磁率。但由于磁珠的工作頻率都只是一個范圍,因此在實際應用中多用平均導磁率。

在低頻時,一般磁珠的相對導磁率都很大(大于100),但在高頻時其有效導磁率只有相對導磁率的幾分之一,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磁率下降到接近1時的工作頻率fc,此時磁珠已經失去一個電感的作用。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,一般導磁率越高的磁芯材料,其截止頻率fc反而越低,因為低頻磁芯材料渦流損耗比較大。使用者在進行電路設計的時候,可要求磁芯材料的提供商提供磁芯工作頻率與有效導磁率的測試數據,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線從磁珠中間穿過,那么當有電流從雙導線中流過時,其產生的磁場將大部份集中在磁珠體內,磁場不會再向外輻射;由于磁場在磁珠體內會產生渦流,渦流產生電力線的方向與導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:磁珠對導體中的電磁場有很強的屏蔽作用。

使用磁珠進行電磁屏蔽的優點是磁珠不用接地,可以免去屏蔽線要求接地的麻煩。用磁珠作為電磁屏蔽,對于雙導線來說,還相當于在線路中接了一個共模抑制電感,對共模干擾信號有很強的抑制作用。

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的兩個途徑,即:輻射和傳導,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電感,這個電感稱為共模抑制電感,共模抑制電感的一端與機器中的地線(公共端)相連,另一端與一個Y電容相連,Y電容的另一端與大地相連。這是抑制傳導干擾的最有效方法。

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