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電磁兼容測試中,磁珠和電感在解決EMC和EMI方面有何效果?
磁珠和電感正在解決EMI和EMC層次效果有什么不同,各有什么特點,應用磁珠效果會更好嗎?原則上,磁珠可以等同于一個電感,所以磁珠在原理上EMI和EMC電路等于抑制電感,主要是抑制高頻傳輸電磁干擾。
磁珠可以等同于電感,但這種等效電感不同于電感線圈。磁珠與電感線圈的最大區(qū)別在于電感線圈具有分布電容。因此,電感線圈相當于電感與電容并聯(lián)。如圖1所示。在圖1中,LX等效電感(理想電感),RX線圈的等效電阻,CX電感的分布電容。
理論上抑制傳輸電磁干擾,規(guī)定抑制電感的電感越大越好,但對于電感線圈,電感越多,電感線圈的分布電容越大,兩者的效果可能相互抵抗。
普通電感線圈的阻抗與頻率之間的關系圖。從圖中可以看出,電感線圈的阻抗隨頻率的增加而增加,但當其阻抗增加到最高值時,由于并聯(lián)電容的作用,阻抗隨頻率的增加而迅速下降。當阻抗增加到最高值時,電感線圈的分布電容等效電感引起并聯(lián)諧振。在圖中,L1>L2>L3.可見電感線圈的電感越多,諧振頻率越低。從圖2可以看出,如果頻率為1,MHz抑制電磁干擾,選擇L1還不如采用L3,由于L3的電感比L一小十倍以上,因此L3成本也要比L1低很多。
如果我們想進一步提高抑制頻率,那么我們最終選擇的電感線圈必須是它的最小規(guī)定值,只有1圈或不到1圈。磁珠,即穿心電感,是一個匝數(shù)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幾倍到幾十倍,因此穿心電感的輸出功率高于單圈電感線圈。
穿心電感的電感量一般比較小,大概在幾微亨到幾十微亨之間。電感量的大小與穿心電感中導線的大小和長度以及磁珠的截面有關,但與磁珠電感量的是磁珠的相對導磁率。圖3.圖4是指導線和穿心電感的原理圖。在計算穿心電感時,首先計算圓截面直導線的電感,然后乘以磁珠的相對導磁率計算穿心電感的電感。
此外,當穿心電感的輸出功率很高時,磁珠體內(nèi)會產(chǎn)生渦旋,相當于減少穿心電感的導磁率。此時,我們通常使用合理的導磁率。合理的導磁率是磁珠在一定輸出功率下的相對導磁率。但由于磁珠的工作頻率只是一個范疇,所以平均導磁率在實際應用中很常用。
低頻時,一般磁珠的相對導磁率很高(超過100),但高頻時的合理導磁率只有相對導磁率的幾分之一甚至幾十分之一。因此,磁珠也有截止頻率問題頻率是將磁珠的高效導磁率降低到接近1時的工作頻率fc,此時,磁珠已經(jīng)失去了電感的功效。一般磁珠的截至頻率fc都在30~300MHz中間,截止頻率與磁珠材料有關,一般磁芯材料導磁率越高,截止頻率越高fc相反,低頻磁芯材料的渦流損耗越小。用戶在進行電路設計時,可以規(guī)定磁芯材料供應商對磁芯輸出功率和合理導磁率進行數(shù)據(jù)測試,或者各輸出功率下穿心電感的趨勢圖。圖5是穿心電感的次數(shù)趨勢圖。
磁珠的另一個用途是做電磁屏蔽,它的電磁屏蔽效果比屏蔽線的屏蔽效果好,這是普通人不太注意的。其應用方法是讓一雙導線穿過磁珠中間,當電流從雙導線流過時,大部分磁場集中在磁珠中,磁場不會輻射;因為磁場在磁珠中產(chǎn)生渦旋,渦旋導致電纜方向與導體表面電纜方向相反,相互抵抗,因此磁珠對電場也有屏蔽作用,即磁珠對導體中的磁場有很強的屏蔽作用。
利用磁珠進行電磁屏蔽的優(yōu)點是磁珠不需要接地,可以避免屏蔽線接地的麻煩。用磁珠作為電磁屏蔽,對于雙導線,也相當于連接路線中的共模抑制電感,對共模干擾信號有很強的抑制作用。
可見,電磁兼容測試中,電感線圈主要用于低頻電磁干擾EMI抑制,磁珠主要用于高頻干擾信號EMI抑制,因此,對一個寬頻段的電磁干擾進行了抑制,EMI抑制,必須同時選擇多種不同性質(zhì)的電感才能合理。此外,共模傳輸電磁干擾還應進行EMI抑制,要注意抑制電感與Y電容的連接。Y電容和抑制電感應盡可能靠近電源的鍵入端,即電源插頭的位置,高頻電感應盡可能靠近Y電容,Y電容應盡可能靠近連接地面的地線(三心電源線的地線)EMI抑制是有效的。