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電磁兼容元器件的正確選型與應用

發布時間:2017-11-21 15:29:43瀏覽次數:375

 在復雜的電磁環境中,每臺電子、電氣產品除了本身要能抗住一定的外來電磁干擾正常工作以外,還不能產生對該電磁環境中的其它電子、電氣產品所不能承受的電磁干擾。或者說,既要滿足有關標準規定的電磁敏感度極限值要求,又要滿足其電磁發射極限值要求,這就是電子、電氣產品電磁兼容性應當解決的問題,也是電子、電氣產品通過電磁兼容性認證的必要條件。很多工程師在進行產品電磁兼容性設計時,對于如何正確選擇和使用電磁兼容性元器件,往往束手無策或效果不理想,因此,很有必要對此進行探討。


電磁兼容性元器件是解決電磁干擾發射和電磁敏感度問題的關鍵,正確選擇和使用這些元器件是做好電磁兼容性設計的前提。因此,我們必須深入掌握這些元器件,這樣才有可能設計出符合標準要求、性能價格比最優的電子、電氣產品。而每一種電子元件都有它各自的特性,因此,要求在設計時仔細考慮。接下來我們將討論一些常見的用來減少或抑制電磁兼容性的電子元件和電路設計技術。

 

 

元件組

 

 

有兩種基本的電子元件組:有引腳的和無引腳的元件。有引腳線元件有寄生效果,尤其在高頻時。該引腳形成了一個小電感,大約是1nH/mm/引腳。引腳的末端也能產生一個小電容性的效應,大約有4pF。因此,引腳的長度應盡可能的短。與有引腳的元件相比,無引腳且表面貼裝的元件的寄生效果要小一些。其典型值為:0.5nH的寄生電感和約0.3pF的終端電容。

  

從電磁兼容性的觀點看,表面貼裝元件效果最好,其次是放射狀引腳元件,最后是軸向平行引腳的元件。

 


 

一、EMC元件之電容

 

 

在EMC設計中,電容是應用最廣泛的元件之一,主要用于構成各種低通濾波器或用作去耦電容和旁路電容。大量實踐表明:在EMC設計中,恰當選擇與使用電容,不僅可解決許多EMI問題,而且能充分體現效果良好、價格低廉、使用方便的優點。若電容的選擇或使用不當,則可能根本達不到預期的目的,甚至會加劇 EMI程度。

  

從理論上講,電容的容量越大,容抗就越小,濾波效果就越好。一些人也有這種習慣認識。但是,容量大的電容一般寄生電感也大,自諧振頻率低(如典型的陶瓷電 容,0.1μF的f0=5 MHz,0.01μF的f0=15 MHz,0.001μF的f0=50 MHz),對高頻噪聲的去耦效果差,甚至根本起不到去耦作用。分立元件的濾波器在頻率超過10 MHz時,將開始失去性能。元件的物理尺寸越大,轉折點頻率越低。這些問題可以通過選擇特殊結構的電容來解決。

  

貼片電容的寄生電感幾乎為零,總的電感也可以減小到元件本身的電感,通常只是傳統電容寄生電感的1/3~1/5,自諧振頻率可達同樣容量的帶引線電容的2倍(也有資料說可達10倍),是射頻應用的理想選擇。

  

傳統上,射頻應用一般選擇瓷片電容。但在實踐中,超小型聚脂或聚苯乙烯薄膜電容也是適用的,因為它們的尺寸與瓷片電容相當。

  

三端電容能將小瓷片電容頻率范圍從50 MHz以下拓展到200 MHz以上,這對抑制VHF頻段的噪聲是很有用的。要在VHF或更高的頻段獲得更好的濾波效果,特別是保護屏蔽體不被穿透,必須使用饋通電容。

 

 

二、EMC元件之電感

 

 

電感是一種可以將磁場和電場聯系起來的元件,其固有的、可以與磁場互相作用的能力使其潛在地比其他元件更為敏感。和電容類似,聰明地使用電感也能解決許多 EMC問題。下面是兩種基本類型的電感:開環和閉環。它們的不同在于內部的磁場環。在開環設計中,磁場通過空氣閉合;而閉環設計中,磁場通過磁芯完成磁路,如下圖所示。


電感中的磁場

電感比起電容一個優點是它沒有寄生感抗,因此其表面貼裝類型和引線類型沒有什么差別。

  

開環電感的磁場穿過空氣,這將引起輻射并帶來電磁干擾(EMI)問題。在選擇開環電感時,繞軸式比棒式或螺線管式更好,因為這樣磁場將被控制在磁芯(即磁體內的局部磁場)。

  

開環電感

對閉環電感來說,磁場被完全控制在磁心,因此在電路設計中這種類型的電感更理想,當然它們也比較昂貴。螺旋環狀的閉環電感的一個優點是:它不僅將磁環控制在磁心,還可以自行消除所有外來的附帶場輻射。

  

電感的磁芯材料主要有兩種類型:鐵和鐵氧體。鐵磁芯電感用于低頻場合(幾十KHz),而鐵氧體磁芯電感用于高頻場合(到MHz)。因此鐵氧體磁芯電感更適合于EMC應用。

  

在EMC應用中特別使用了兩種特殊的電感類型:鐵氧體磁珠和鐵氧體磁夾。鐵和鐵氧體可作電感磁芯骨架。鐵芯電感常應用于低頻場合(幾十KHz),而鐵氧體芯電感常應用于高頻場合(MHz)。所以鐵氧芯感應體更適合于EMC應用。

 

 

三、濾波器結構的選擇

 

 

EMC設計中的濾波器通常指由L,C構成的低通濾波器。不同結構的濾波器的主要區別之一,是其中的電容與電感的聯接方式不同。濾波器的有效性不僅與其結構有關,而且還與聯結的網絡的阻抗有關。如單個電容的濾波器在高阻抗電路中效果很好,而在低阻抗電路中效果很差。

 

濾波器分類(基于功能)

濾波器分類(基于結構)

濾波器選型

 

 

四、EMC元件之磁珠

 

 

磁珠由氧磁體組成,電感由磁心和線圈組成,磁珠把交流信號轉化為熱能,電感把交流存儲起來,緩慢的釋放出去。

  

磁珠工作原理

磁珠選型

磁珠的電路符號就是電感但是型號上可以看出使用的是磁珠在電路功能上,磁珠和電感是原理相同的,只是頻率特性不同罷了。

  

電感是儲能元件,而磁珠是能量轉換(消耗)器件。電感多用于電源濾波回路,側重于抑止傳導性干擾;磁珠多用于信號回路,主要用于EMI方面。磁珠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,而電感是一種儲能元件,用在LC振蕩電路、中低頻的濾波電路等,其應用頻率范圍很少超過50MHz。

 

 

五、EMC元件之二極管

 

 

二極管是最簡單的半導體器件。由于其獨特的特性,某些二極管有助于解決并防止與EMC相關的一些問題。

 

 

六、模擬與邏輯有源器件的選用

 

 

電磁干擾發射和電磁敏感度的關鍵是模擬與邏輯有源器件的選用。必須注意有源器件固有的敏感特性和電磁發射特性。

  

有源器件可分為調諧器件和基本頻帶器件。調諧器件起帶通元件作用,其頻率特性包括:中心頻率、帶寬、選擇性和帶外亂真響應;基本領帶器件起低通元件作用,其頻率特性包括:截止頻率、通帶特性、帶外抑制特性和亂真響應。此外還有輸入阻抗特性和輸入端的平衡不平衡特性等。

  

模擬器件的敏感度特性取決于靈敏度和帶寬,而靈敏度以器件的固有噪聲為基礎。

邏輯器件的敏感度特性取決于直流噪聲容限和噪聲抗擾度。


有源器件有兩種電磁發射源:傳導干擾通過電源線、接地線和互連線進行傳輸,并隨頻率增加而增加;輻射干擾通過器件本身或通過互連線進行輻射,并隨頻率的平方而增加。瞬態地電流是傳導干擾和輻射干擾的初始源,減少瞬態地電流必須減小接地阻抗和使用去耦電容。

  

邏輯器件的翻轉時間越短,所占頻譜越寬。為此,應當在保證實現功能的前提下,盡可能增加信號的上升/下降時間。

  

數字電路是一種最常見的寬帶干擾源,其電磁發射可分為差模和共模兩種形式。

  

為了減少發射,應盡可能降低頻率和信號電平;為了控制差模輻射,必須將印制電路板上的信號線、電源線和它們的回線緊靠在一起,減小回路面積;為了控制共模輻射,可以使用柵網地線或接地平面,也可使用共模扼流圈。同時,選擇“干凈地”作為接地點也是十分重要的。

  

表面安裝技術(SMT)是70年代末發展起來的新型電子裝聯技術,內容包括表面安裝器件(SMD)、表面安裝元件(SMC)、表面安裝印制電路板(SMB)以及表面安裝設備、在線測試等。

  

電子整機應用SMT最多的是計算機,其次是通訊、軍用、消費類電子產品。

  

90年代SMT發展了一種新型電路基板,可用來制作多芯片組件MCM。目前片式集成電路的輸入/輸出端口已增加到上百個,引腳的中心間距已減小到0.3毫米。目前表面安裝技術正在和微組裝技術互相交錯和滲透。由于SMD/SMC的超小型化,使基板焊區尺寸減小到I平方英寸以內,無論電磁發射還是電磁敏感度問題,都可以得到很好的解決。

 

 

七、電磁屏蔽材料的選用

 

 

具有較高導電、導磁特性的材料可以用作屏蔽材料。常用的有鋼板、鋁板、鋁箔、銅板、銅箔等。也可以在塑料機箱上噴涂鎳漆或銅漆的方法實現屏蔽。

  

屏蔽機箱的屏蔽效能除了與所選屏蔽材料的導電率、導磁率和厚度有關外,在很大程度上還依賴于機箱的結構,即其導電連續性。任何實用的屏蔽機箱上都有縫隙,這些縫隙是由于屏蔽板之間臨時性搭接所造成的。由于縫隙的導電不連續性,在縫隙處會產生電磁泄漏。因此,對于永久性搭接,可以使用焊接的方法消除縫隙。如果使用鉚接或螺釘連接,間距必須足夠小。對于非永久性搭接,采用電磁密封襯墊等屏蔽材料則是十分有效的手段。

  

1.電磁密封襯墊

電磁密封襯墊是一中彈性好、導電性高的材料。將這種材料填充在縫隙處,能保持導電連續性,是解決縫隙電磁泄漏的好方法。在選用電磁密封襯墊時,需要熟悉以下特性參數:

  

轉移阻抗設襯墊和兩側屏蔽板的接合面上流過電流I,而兩側屏蔽板之間的電壓為V,則轉移阻抗定義為Zr=V/I。轉移阻抗越低,則兩側屏蔽板之間的電磁泄漏越小,加襯墊后該縫隙的屏蔽效能越高。

  

硬度襯墊的硬度應當適中,硬度太低,易造成接觸不良,屏蔽效能較低;硬度太高,需要較大的壓力,給結構設計造成困難。

  

壓縮永久形變襯墊只有在外力作用下發生一定的形變時,才有屏蔽作用。當外力去掉后,襯墊不會完全恢復到原來的形狀,即發生了永久形變。當然,襯墊的壓縮永久形變越小越好。

  

襯墊厚度襯墊的厚度應能滿足接觸面不平整度的要求,利用其彈性,將縫隙填充滿,達到導電連續性的目的。

常用的電磁密封襯墊有以下幾種類型:

  

金屬絲網襯墊用金屬絲編織成的彈性網套,為純金屬接觸,接觸電阻低;但金屬絲在高頻時會呈現較大感抗,使屏蔽效能降低。所以只適用于l吉赫以下的頻率范圍。

  

橡膠芯編織網套將金屬絲編織的網套套在發泡橡膠芯或硅橡膠芯上,具有很好的彈性和導電性。

  

導電橡膠襯墊在硅橡膠內填充金屬顆粒或金屬絲,構成導電的彈性物質。由于導電橡膠中的導電顆粒之間的容抗在高頻時會降低,因此,填充金屬顆粒在高頻時屏蔽效能較高。如果填充方向一致的金屬絲,還可以做到純金屬接觸,但由于金屬絲在高頻時呈現較大感抗,使屏蔽效能降低,所以填充金屬絲時只適用于低頻。

  

鈹銅指形簧片利用被銅良好的導電性和彈性,可制成各種指形簧片。由于純金屬接觸,直流電阻低,感抗又小,所以低頻和高頻時都具有較高的屏蔽效能。

  

螺旋管襯墊用鍍錫被銅或不銹鋼做成的螺旋管,具有良好的彈性和導電性,是目前屏蔽效能最高的襯墊。

  

2.導電化合物

導電化合物包括各種導電膠和各種導電填充物等。環氧導電膠可用于金屬之間,金屬與非金屬之間,各種硬性表面之間的導電粘接。可代替焊錫,完成微波器件引線連接;可修復印制板線路,可用于導電陶瓷粘接,天線元件粘接,玻璃除霜粘接,導電/導熱粘接,微波波導部件粘接等。硅脂導電膠用于將彈性的導電橡膠粘接固定在金屬表面上,可應用于航天、航空、軍用等電子設備中。導電填充物是一種高導電漿糊狀材料,用于無法加裝屏蔽襯墊的縫隙處,固化后仍保持彈性。

  

3.截止波導通風板

屏蔽機箱的通風口及其它開口都是主要的電磁輻射源。采用開小孔或加金屬絲網的方法都難以達到滿意的屏蔽效能。理論證明,當金屬管截面尺寸滿足一定條件時,可以傳輸一定頻率范圍的電磁波,稱為波導管。而波導管存在一個截止頻率,當頻率低于截止頻率時,電磁波被截止而不能傳輸。根據這個原理可以設計成截止波導管。截止波導通風板由許多截止波導管依次排列組成,為了提高通風效率,每個截止波導管的截面都設計為六角形,故又稱蜂窩狀通風板。當屏蔽效能要求很高時,可用兩塊截止波導通風板構成雙層通風板。而通風板材料的導電率是屏蔽效能的重要因素,采用高導電率材料或鍍層的通風板可以得到高屏蔽效能。

  

4.導電玻璃和導電膜片

顯示屏或顯示窗口既要滿足視覺要求,又要滿足防電磁輻射的要求,為此,可選用導電玻璃實現屏蔽。導電玻璃可用兩塊光學玻璃中間夾金屬絲網構成,金屬絲網的密度越大,屏蔽效能就越高,但透光性變得越差。導電玻璃也可由光學玻璃或有機玻璃表面鍍的金屬薄膜構成。此外,還可以在透明聚脂膜片上鍍以金屬薄膜,制成柔性透明導電膜片。這種膜片的透光性可達70%(80%,而且膜片很薄,僅0.13mm,可以直接貼覆在常規玻璃或有機玻璃表面,特別適用于要求高透明度和中等屏蔽效能的儀表表盤、液晶顯示器、面板指示燈孔、彩色顯示器等部位。

 

 

八、電磁干擾濾波器的選用

 

 

實踐表明,即使對一個經過很好設計并且具有正確的屏蔽和接地措施的產品,也仍然會有傳導干擾發射或傳導干擾進入產品。濾波是壓縮干擾頻譜的一種有效方法,當干擾頻譜不同于有用信號的頻帶時,可以用電磁干擾濾波器將無用的干擾濾除。因此,恰當地選擇和正確地使用濾波器對抑制傳導干擾是十分重要的。從頻率選擇的角度出發,電磁干擾濾波器屬于低通濾波器,分為信號線濾波器和電源線濾波器等。

  

1.信號線濾波器

信號線濾波器是用在各種信號線上的低通濾波器,用來濾除高頻干擾成分。可分為線路板濾波器、饋通濾波器和連接器濾波器等三種。線路板濾波器適合于安裝在線路板上,具有成本低、安裝方便等優點;饋通濾波器適合于安裝在屏蔽殼體上,特別適用于單根導線或電纜穿過屏蔽體時使用;濾波器連接器適用于多根導線或電纜穿過屏蔽體時使用。濾波器連接器在外形上和尺寸上都和普通連接器相同,兩者完全可以互換。但濾波器連接器的每個針或孔上都有一個低通濾波器,它的電路可以是單個電容的,也可以是L型或π型的。

  

選用信號線濾波器時,應根據使用的場合,選擇濾波器的類型,根據濾波要求選擇濾波器的電路和性能指標,為了保證信號頻率順利通過濾波器,濾波器的截止頻率應高于信號頻率的上限。此外,還應正確選擇濾波器的工作電壓、電流、溫度范圍等。在使用信號線濾波器時,最重要的是保證濾波器有良好的接地,接地線應盡量短。濾波器外殼應與屏蔽體有良好的電接觸,可以使用焊接方式或采用射頻電磁密封襯墊。

  

新研制的濾波器陣列板是將濾波器制成微形器件,并排列成陣列,能快速安裝到電子產品的底板或隔斷上,以實現密封或隔離。

  

2.鐵氧體電磁干擾抑制元件

鐵氧體是一種立方晶格結構的亞鐵磁性材料。它的制造工藝和機械性能與陶瓷相似,顏色為灰黑色。對于抑制電磁干擾用的鐵氧體,最重要的性能參數為磁導率μ和飽和磁通密度Bs。磁導率μ可以表示為復數,實數部分構成電感,虛數部分代表損耗,隨著頻率的增加而增加。因此,它的等效電路為由電感L和電阻R組成的串聯電路,L和R都是頻率的函數。例如磁導率為850的鐵氧體,在10MHz時阻抗小于10Ω,而超過l00MHz后阻抗大于100Ω,使高頻干擾大大衰減。這樣,就構成了一個低通濾波器。低頻時R很小,L起主要作用,電磁干擾被反射而受到抑制;高頻時R增大,電磁干擾被吸收并轉換成熱能。

  

鐵氧體抑制元件廣泛應用于印制電路板、電源線和數據線上。例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。鐵氧體磁環或磁珠專用于抑制信號線、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。

  

不同的鐵氧體抑制元件,有不同的最佳抑制頻率范圍。通常磁導率越高,抑制的頻率就越低。此外,鐵氧體的體積越大,抑制效果越好。在體積一定時,長而細的形狀比短而粗的抑制效果好,內徑越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情況下,還存在鐵氧體飽和的問題,抑制元件橫截面越大,越不易飽和,可承受的偏流越大。

  

鐵氧體抑制元件應當安裝在靠近干擾源的地方。對于輸入/輸出電路,則應盡量靠近屏蔽殼的進、出口處。

  

安裝時還應當注意,鐵氧體元件易破碎,應采取可靠的固定措施。

  

3. 電源線濾波器

電源線是電磁干擾傳入設備和傳出設備的主要途徑。為防止這兩種情況的發生,必須在設備的電源接口安裝電源線濾波器。它只允許電源頻率通過,而高于電源頻率的電磁干擾卻受到很大的衰減。

  

電源線上的干擾以兩種形式出現,在火線、零線回路中的干擾為差模干擾,在火線、零線與地線回路中的干擾為共模干擾。雖然電源線濾波器對差模干擾和共模干擾都有抑制作用,但效果不一樣,應分別給出兩者的插入損耗。除了特別說明允許不接地的濾波器外,所有電源濾波器都必須接地,因為濾波器中的共模旁路電容只有接地時才起作用。

  

使用電源濾波器時,應盡量靠近電源入口處安裝,并使濾波器的輸入/輸出端之間屏蔽隔離,避免電磁干擾從輸入端直接耦合到濾波器的輸出端。此外,濾波器的接地點還應盡量靠近設備的接地點。電源線濾波器的技術指標包括:最大泄漏電流、耐壓、額定工作頻率、額定工作電壓、額定工作電流和溫度范圍等。

 

 

九、結束語

 

 

電磁兼容性元器件是解決電磁干擾發射和電磁敏感度問題的關鍵,正確選擇和使用這些元器件是做好電磁兼容性設計的前提。因此,我們必須深入掌握這些元器件,這樣才有可能設計出符合標準要求、性能價格比最優的電子、電氣產品。

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