濾波電容器與共模電感和磁珠是如何消除電磁干擾的

濾波電容器、共模電感、磁珠在EMC設(shè)計(jì)電路中是常見的身影，也是消滅電磁干擾的三大利器。對于這這三者在電路中的作用，相信還有很多工程師搞不清楚。本文從設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中，詳細(xì)分析了消滅EMC三大利器的原理。

三大利器之濾波電容器

盡管從濾除高頻噪聲的角度看，電容的諧振是不希望的，但是電容的諧振并不是總是有害的。當(dāng)要濾除的噪聲頻率確定時(shí)，可以通過調(diào)整電容的容量，使諧振點(diǎn)剛好落在騷擾頻率上。

在實(shí)際工程中，要濾除的電磁噪聲頻率往往高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz，甚至超過1GHz。對這樣高頻的電磁噪聲必須使用穿心電容才能有效地濾除。普通電容之所以不能有效地濾除高頻噪聲，是因?yàn)閮蓚€(gè)原因，一個(gè)原因是電容引線電感造成電容諧振，對高頻信號(hào)呈現(xiàn)較大的阻抗，削弱了對高頻信號(hào)的旁路作用；另一個(gè)原因是導(dǎo)線之間的寄生電容使高頻信號(hào)發(fā)生耦合，降低了濾波效果。

穿心電容之所以能有效地濾除高頻噪聲，是因?yàn)榇┬碾娙莶粌H沒有引線電感造成電容諧振頻率過低的問題，而且穿心電容可以直接安裝在金屬面板上，利用金屬面板起到高頻隔離的作用。但是在使用穿心電容時(shí)，要注意的問題是安裝問題。穿心電容最大的弱點(diǎn)是怕高溫和溫度沖擊，這在將穿心電容往金屬面板上焊接時(shí)造成很大困難。許多電容在焊接過程中發(fā)生損壞。特別是當(dāng)需要將大量的穿心電容安裝在面板上時(shí)，只要有一個(gè)損壞，就很難修復(fù)，因?yàn)樵趯p壞的電容拆下時(shí)，會(huì)造成鄰近其它電容的損壞。

三大利器之共模電感

由于EMC所面臨解決問題大多是共模干擾，因此共模電感也是我們常用的有力元件之一，共模電感是一個(gè)以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個(gè)尺寸相同，匝數(shù)相同的線圈對稱地繞制在同一個(gè)鐵氧體環(huán)形磁芯上，形成一個(gè)四端器件，要對于共模信號(hào)呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用，而對于差模信號(hào)呈現(xiàn)出很小的漏電感幾乎不起作用。原理是流過共模電流時(shí)磁環(huán)中的磁通相互疊加，從而具有相當(dāng)大的電感量，對共模電流起到抑制作用，而當(dāng)兩線圈流過差模電流時(shí)，磁環(huán)中的磁通相互抵消，幾乎沒有電感量，所以差模電流可以無衰減地通過。因此共模電感在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號(hào)，而對線路正常傳輸?shù)牟钅Ｐ盘?hào)無影響。

共模電感在制作時(shí)應(yīng)滿足以下要求：

1）繞制在線圈磁芯上的導(dǎo)線要相互絕緣，以保證在瞬時(shí)過電壓作用下線圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。
? ? ? ?2）當(dāng)線圈流過瞬時(shí)大電流時(shí)，磁芯不要出現(xiàn)飽和。
? ? ? ?3）線圈中的磁芯應(yīng)與線圈絕緣，以防止在瞬時(shí)過電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。
? ? ? ?4）線圈應(yīng)盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強(qiáng)線圈對瞬時(shí)過電壓的而授能力。

通常情況下，同時(shí)注意選擇所需濾波的頻段，共模阻抗越大越好，因此我們在選擇共模電感時(shí)需要看器件資料，主要根據(jù)阻抗頻率曲線選擇。另外選擇時(shí)注意考慮差模阻抗對信號(hào)的影響，主要關(guān)注差模阻抗，特別注意高速端口。

三大利器之磁珠

在產(chǎn)品數(shù)字電路EMC設(shè)計(jì)過程中，我們常常會(huì)使用到磁珠，鐵氧體材料是鐵鎂合金或鐵鎳合金，這種材料具有很高的導(dǎo)磁率，他可以是電感的線圈繞組之間在高頻高阻的情況下產(chǎn)生的電容最小。鐵氧體材料通常在高頻情況下應(yīng)用，因?yàn)樵诘皖l時(shí)他們主要程電感特性，使得線上的損耗很小。在高頻情況下，他們主要呈電抗特性比并且隨頻率改變。實(shí)際應(yīng)用中，鐵氧體材料是作為射頻電路的高頻衰減器使用的。實(shí)際上，鐵氧體較好的等效于電阻以及電感的并聯(lián)，低頻下電阻被電感短路，高頻下電感阻抗變得相當(dāng)高，以至于電流全部通過電阻。鐵氧體是一個(gè)消耗裝置，高頻能量在上面轉(zhuǎn)化為熱能，這是由他的電阻特性決定的。

鐵氧體磁珠與普通的電感相比具有更好的高頻濾波特性。鐵氧體在高頻時(shí)呈現(xiàn)電阻性，相當(dāng)于品質(zhì)因數(shù)很低的電感器，所以能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的阻抗，從而提高高頻濾波效能。 在低頻段，阻抗由電感的感抗構(gòu)成，低頻時(shí)R很小，磁芯的磁導(dǎo)率較高，因此電感量較大，L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制；并且這時(shí)磁芯的損耗較小，整個(gè)器件是一個(gè)低損耗、高Q特性的電感，這種電感容易造成諧振因此在低頻段，有時(shí)可能出現(xiàn)使用鐵氧體磁珠后干擾增強(qiáng)的現(xiàn)象。 在高頻段，阻抗由電阻成分構(gòu)成，隨著頻率升高，磁芯的磁導(dǎo)率降低，導(dǎo)致電感的電感量減小，感抗成分減小。但是，這時(shí)磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導(dǎo)致總的阻抗增加，當(dāng)高頻信號(hào)通過鐵氧體時(shí)，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能的形式耗散掉。

鐵氧體抑制元件廣泛應(yīng)用于印制電路板、電源線和數(shù)據(jù)線上。如在印制板的電源線入口端加上鐵氧體抑制元件，就可以濾除高頻干擾。鐵氧體磁環(huán)或磁珠專用于抑制信號(hào)線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾，它也具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。

使用片式磁珠還是片式電感主要還在于實(shí)際應(yīng)用場合。在諧振電路中需要使用片式電感。而需要消除不需要的EMI噪聲時(shí)，使用片式磁珠是最佳的選擇。片式磁珠和片式電感的應(yīng)用場合：片式電感： 射頻（RF）和無線通訊，信息技術(shù)設(shè)備，雷達(dá)檢波器，汽車電子，蜂窩電話，尋呼機(jī)，音頻設(shè)備，PDAs（個(gè)人數(shù)字助理），無線遙控系統(tǒng)以及低壓供電模塊等。片式磁珠：時(shí)鐘發(fā)生電路，模擬電路和數(shù)字電路之間的濾波，I/O輸入/輸出內(nèi)部連接器（比如串口，并口，鍵盤，鼠標(biāo)，長途電信，本地局域網(wǎng)），射頻（RF）電路和易受干擾的邏輯設(shè)備之間，供電電路中濾除高頻傳導(dǎo)干擾，計(jì)算機(jī)，打印機(jī)，錄像機(jī)（VCRS），電視系統(tǒng)和手提電話中的EMI噪聲抑止。

磁珠的單位是歐姆，因?yàn)榇胖榈膯挝皇前凑账谀骋活l率產(chǎn)生的阻抗來標(biāo)稱的，阻抗的單位也是歐姆。磁珠的DATASHEET上一般會(huì)提供頻率和阻抗的特性曲線圖，一般以100MHz為標(biāo)準(zhǔn)，比如是在100MHz頻率的時(shí)候磁珠的阻抗相當(dāng)于1000歐姆。針對我們所要濾波的頻段需要選取磁珠阻抗越大越好，通常情況下選取600歐姆阻抗以上的。

另外選擇磁珠時(shí)需要注意磁珠的通流量，一般需要降額80％處理，用在電源電路時(shí)要考慮直流阻抗對壓降影響。