電磁兼容性問題通常發生在高頻狀態下,除個別問題(電壓下降和瞬時中斷等)外。因此,在電磁兼容性設計中必須有高頻思維,總之,是注意高頻條件下設備和電路的特點,在高頻和傳統頻率狀態下不同,如果仍按照普通工程思維進行判斷和分析,就會進入設計誤解。
一.電容
在中低頻或直流情況下,電容器是一個儲能組件,只表現為一個電容器的特性,但在高頻情況下,它不僅是一個電容器,它具有理想的電容器特性、漏電流(R在高頻等效電路上)、 導線電感和ESR(等效串聯電阻),導致電壓脈沖波動,如圖所示:
從這張圖中分析,可以幫助我們的設計師得到很多有益的設計思路。
首先,按照常規思路,Z=1/(2πFC),Z是電容的容抗,應該是頻率越高,容抗越小,濾波效果越好,也就是頻率越高,雜波越容易泄漏,但事實并非如此。由于引線電感的存在,一個電容器只有在其1/2πFC=2πFL等式成立時,才是整體阻抗最小的時候,濾波效果最好。如果頻率高低,濾波效果會下降。因此,我們可以分析為什么ICVC端會添加兩個電容器,一個電解電容器和一個陶瓷電容器,容值一般相差100倍以上,用于增加電容器的濾波帶寬。
解決方法:
用BDL濾波器代替多個普通的退耦電容器。
BDL是一種新一代電容器。在高頻狀態下,BDL的專利內部結構大大降低了高頻寄生效應。在高頻下,由于其內部結構的平衡,具有更好的濾波和去耦效果。
要了解BDL的平衡特性,首先要了解其物理結構,從圖中可以看出:
標準旁路電容由連接到A和B兩極的交替平行電極板組成。
BDL增加了兩個并聯參考電極G1.G2,平行印刷在A.B電極之間,形成法拉第屏蔽籠或同軸結構,以實現平衡和減少ESL。
這種專利結構給我們帶來的是BDL比普通電容器有更寬的濾波頻帶。現在只需要一個BDL濾波器就可以解決原本需要多個普通電容器的濾波頻帶,與結構相似的穿心電容器相比,不受流量限制。
二.電感
電感和電容器是一個有點相反的裝置,一個是低阻力;一個是低阻力。如果暫時忽略電容器的分布,電感阻抗主要由兩部分組成:一部分是電阻成分(R),另一部分是感抗成分(FL),即:
Z=2πfl
電阻成分來自繞組電感線的電阻和磁芯的損耗。作為電磁干擾抑制的電感,我希望電阻成分越大越好。因為電阻可以將干擾能量轉化為熱量消耗,而感應阻力只是將干擾能量反射回信號源。
雖然電感阻抗在形式上隨著頻率的增加而增加,但在不同的頻率范圍內,性質完全不同。
低頻:磁芯磁導率高,電感電感大,電感電阻成分小,阻抗以感抗為主,是一種低損耗、高Q值特性的電感。
當頻率較高時:隨著頻率的增加,磁芯的磁導率降低,導致電感的電感成分的電感減少。然而,當磁芯損耗增加時,電阻成分增加,電阻成分主要是電阻成分。因此,當高頻信號通過鐵氧體時,電磁能量以熱的形式消散。
解決辦法:
磁芯材料是選擇的重點,無論是共模電感還是差模電感。磁芯材料的飽和特性是使用差模電感磁芯時最重要的。作為共模電感磁芯,往往更注重磁芯材料的磁導率。
一般有兩種材料用作差模電感磁芯:一種是鐵粉芯,另一種是鐵鎳鉬芯。鐵芯價格較低,但在400Hz電流條件下使用時可能會出現過熱問題。這兩種材料最大的優點是不易飽和。但磁導率較低。
鐵氧體材料主要用作共模電感磁芯,常用于錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體。雖然錳鋅鐵氧體的直流磁導率較高,但隨著頻率的增加而迅速下降;此外,由于該磁體具有良好的導電性,繞組-磁芯之間會產生較大的分布電容,因此僅適用于低頻場合。鎳鋅鐵氧體的直流磁導率較低,但可以保持較高的頻率。此外,該磁體具有較大的電阻,適用于頻率較高的場合。
三、電纜和PCB布線。
PCB布線的高頻等效特性(如圖所示),無論高頻或低頻,布線電阻都是客觀存在的,但對于布線電感,只有在高頻時才能顯示。此外,還有一個分布式電容器,但當導線附近沒有導體時,這個分布式電容器是無用的,就像沒有男人,女人不能生孩子一樣,這需要兩個導體來發揮作用。因此,我們應該關注電纜或PCB布線引起的共模噪聲。
共模輻射是由電路中不希望的電壓降引起的。該電壓降使系統的某些部分處于高電位。當外部電纜與系統連接時,外部電纜在共模電壓的作用下被激勵,形成輻射電場的天線。
因此,在設備設計中應考慮外部電纜的濾波器和內部線束的布局。
解決方法:
1.降低共模電壓。
降低共模電壓的目的是降低共模電流。當共模電路阻抗一定時,降低共模電壓可以降低共模電流。
(1)電纜接口設置清潔:清潔無噪聲電壓,將電纜連接到接地線,可有效降低共模電壓。通常與金屬底盤連接,以進一步降低共模電壓。
(2)屏蔽內部電纜:當內部電纜較長時,更容易感應較高的共模電壓。此時,內部電纜可以屏蔽,屏蔽層需要與金屬底盤連接。
2.控制電纜長度。
在滿足使用要求的前提下,盡量使用短電纜。但電纜長度往往受設備之間連接距離的限制,不能隨意縮短。此外,當電纜長度不能降低到波長的1/2時,降低電纜長度的效果并不明顯。
電纜和電纜之間的間距不應太近,否則信號電纜之間的串擾會由于電線分布電容的存在而引起。當然,信號線最好更接近地線的耦合,這樣信號線上的波動干擾就可以很容易地排放到地線上。
3.增加共模電流環路阻抗。
(1)斷開電路板與機箱之間的連接(只有低頻段有效);
(2)在電纜或接口端串聯共模扼流圈:共模扼流圈可以對共模電流形成較大的阻抗,對差模信號沒有影響,所以使用起來很簡單,不需要考慮信號失真,共模扼流圈不需要接地,可以直接添加到電纜上。
4.共模濾波。
解決電纜輻射的另一個有效方法是對電纜進行共模濾波。共模濾波的原理是利用低通濾波電纜上的高頻共模電流成分,這是電纜輻射問題的主要原因。
5.屏蔽電纜。
屏蔽層直接阻擋電纜中差模信號電路的差模輻射;為共模電流提供返回共模噪聲源的路徑,減少共模電流的回路面積。
用屏蔽電纜控制共模輻射的關鍵是為共模電流提供低阻抗通道,使共模電流通過屏蔽層流回共模電壓源。電纜屏蔽層提供的共模電流通道的阻抗由兩部分組成:一部分是屏蔽層本身的阻抗;另一部分是電纜屏蔽層與金屬底盤之間的重疊阻抗。
因此,在電磁兼容設計中,為了形成低阻抗通道,不僅要求電纜本身的屏蔽層質量良好(低射頻阻抗),而且電纜屏蔽層與金屬底盤之間的重疊阻抗應盡可能低。確保電纜屏蔽層與底盤之間的低阻抗重疊的方法是在360°范圍內連接底盤。換句話說,電纜屏蔽層與金屬底盤形成完整的屏蔽,這與底盤是否接地無關。