磁環(huán)在EMC中的妙用

作者： 金耀光，來源： 韜略科技EMC微信公眾號

前言

在電子產(chǎn)品的設(shè)計中，電磁兼容EMC性能對系統(tǒng)的影響非常大，關(guān)系到其能正常穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。很多國家現(xiàn)在已經(jīng)開始對電子產(chǎn)品的電磁兼容性做強制性限制，電磁兼容性能已經(jīng)成為產(chǎn)品性能的一個重要指標(biāo)。

電磁兼容主要有兩方面的內(nèi)容，一個是產(chǎn)品本身對外界產(chǎn)生不良的電磁干擾影響，稱為電磁干擾發(fā)射EMI；另一個是對外界電磁信號的敏感程度稱為電磁敏感度EMS。干擾源、耦合途徑及敏感設(shè)備是電磁兼容的三要素，缺一不可。在整改過程中我們有時候經(jīng)常采用到磁環(huán)來排查問題，但是使用過程中我們不知道哪些細(xì)節(jié)會影響使用的效果。

磁環(huán)的作用

圖1 USB接口信號傳輸

上面圖1是USB接口信號傳輸?shù)牡刃щ娐?，假設(shè)信號傳輸過程中存在兩種噪聲，綠色信號的走向是共模噪聲，藍(lán)色信號走向是差模噪聲。因此在整改過程中我們將磁環(huán)繞在USB信號線上來抑制噪聲，并對比前后的效果。

圖2 繞磁環(huán)等效電路

上面圖2是繞磁環(huán)等效電路，電路上的ZF是繞磁環(huán)后在電路上的等效阻抗，Z0是信號源的內(nèi)阻，ZB是負(fù)載，那么我們可以根據(jù)下面的公式計算出磁環(huán)的插入損耗，這樣就可以選出合適的磁環(huán)來降低噪聲滿足實驗限值的要求。

圖3 插入損耗計算公式

影響磁環(huán)抑制噪聲效果的因素

1. 繞線的匝數(shù)

一般磁環(huán)的規(guī)格書上面都會給出這樣的匝數(shù)的頻率阻抗曲線，從圖4可以看出當(dāng)線繞一匝時100MHz對應(yīng)下的阻抗大約110Ω，而當(dāng)線繞到兩匝時可以看出100MHz對應(yīng)的阻抗大約390Ω，而且兩匝的整個曲線都偏上，因此在整改過程中繞的匝數(shù)也是比較關(guān)鍵的，不然加上磁環(huán)達(dá)不到我們想要的效果。

圖 4 不同匝數(shù)的頻率特性阻抗曲線

那么當(dāng)規(guī)格書上面沒有這樣的曲線時，我們可以根據(jù)以下的公式進行計算，當(dāng)磁環(huán)上繞了線之后我們可以將其等效成一個電感，其中N為繞線的匝數(shù)，μr是磁環(huán)的磁導(dǎo)率，μ0是初磁導(dǎo)率，A是磁環(huán)的截面積，r是外圈到中心的半徑，因此根據(jù)公式可以計算出我們想要的磁環(huán)參數(shù)。

圖 5 磁環(huán)感量的計算公式

2. 磁導(dǎo)率

圖 6 磁導(dǎo)率

由上圖6可以看出磁導(dǎo)率是分為虛部和實部兩部分，紅色的曲線是實際的磁導(dǎo)率，黑色的實線是磁導(dǎo)率的實部，黑色虛線是磁導(dǎo)率的虛部。當(dāng)頻率達(dá)到上GHz時，磁導(dǎo)率的值幾乎降低到零了，所以當(dāng)選擇磁環(huán)時要考慮到超標(biāo)頻率對應(yīng)磁導(dǎo)率的變化。

3.居里溫度

圖 7居里溫度曲線

簡單來說，這居里溫度是讓磁環(huán)內(nèi)部的磁疇解體的溫度，可以從圖7看出磁導(dǎo)率隨著溫度的升高逐漸達(dá)到一個高點，該高點對應(yīng)的溫度是120℃，當(dāng)溫度再升高時磁導(dǎo)率開始急劇下降，下降到磁導(dǎo)率變?yōu)?時，該磁環(huán)沒有了磁性。不同的磁環(huán)有不一樣的居里點，因此當(dāng)使用磁環(huán)在高溫環(huán)境下時，我們要考慮磁環(huán)的居里溫度的影響，這樣保證磁環(huán)的有效性。

4. 通流大小

圖 8 磁環(huán)內(nèi)部磁疇的分布圖

圖 9 電流頻率阻抗曲線

圖8是磁環(huán)內(nèi)部磁疇的分布情況，當(dāng)磁環(huán)沒有磁場時磁疇的分布是一個無序的狀態(tài)，而施加磁場時磁疇變成一個有序的狀態(tài)，那么電流增大時磁場強度也隨之增強，這樣磁疇的排列就更加的緊湊，有序的磁疇更加的多，通過的磁感線就變得越密集，所以磁環(huán)的阻抗就隨之增大。由圖9的電流阻抗曲線可以看出，磁環(huán)的初始磁導(dǎo)率為750H/m時，在低頻情況下電流由0安逐漸增加到5安，阻抗的差異會比較明顯，到高頻時電流變化時阻抗變化不大。

5. 氣隙

圖 10 頻率特性阻抗曲線

如圖10可以看出一款氣隙0.8mm的夾扣式磁環(huán)隨著頻率的不斷增加阻抗接近直線上升的趨勢，到達(dá)上1GHz了阻抗還是增大狀態(tài)。而micro扁平磁環(huán)隨著頻率的增加會達(dá)到一個最高點，頻率再增加時阻抗會下降，尤其是頻率達(dá)到1GHz的時候。因此在我們想要抑制高頻的噪聲時可以選擇夾扣式的磁環(huán)進行抑制噪聲。

POC電感參數(shù)對比和測試

總的來說，對于磁環(huán)的使用一般會在消費類產(chǎn)品上看見，由于外接這種磁環(huán)外觀不是很好看，所以很多產(chǎn)品都會取消采用其他的濾波方式去抑制噪聲，如共模電感、差模濾波器等，但是對于磁環(huán)的使用，我們可以在整改過程中用來排查問題，這樣比較有效、快速的鎖定噪聲傳播路徑，因此使用磁環(huán)時可以參考以上的幾點影響因素，可以規(guī)避一些額外的影響。

審核編輯 黃宇