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你知道EMI是怎样产生的,但知道如何降低它吗?

2018-10-30 Tim Shafer 阅读:
每种含有开关电源或微处理器电路的电子设备都存在电磁干扰 (EMI) ,降低电磁干扰需要大量工程资源并显著增加设备的成本。规范要求限制电子器件发射的EMI量,避免附近其他器件受到这种干扰。EMI测试成本高,同时,为了满足合规要求,能有效降低EMI的设计又是十分重要的。
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每种含有开关电源或微处理器电路的电子设备都存在电磁干扰 (EMI) ,降低电磁干扰需要大量工程资源并显著增加设备的成本。规范要求限制电子器件发射的EMI量,避免附近其他器件受到这种干扰。EMI测试成本高,同时,为了满足合规要求,能有效降低EMI的设计又是十分重要的。充分了解产生电磁场的来源可为低EMI设计奠定坚实的基础。jL0EETC-电子工程专辑

EMI是怎样产生的?

如图1所示,导体中流过电流,就会产生两个互相垂直的场。这两个场的强度与导体中的电流和电压成正比。其中一个垂直的场由数条以线表示的磁通量构成,称为“B”磁场。这些以线表示的磁通量是电磁器件、电机和发电机工作的关键。没有电流产生的磁场,电流不可能转换成做功的力。因此,在加以抑制和控制的情况下,B磁场是必不可少的。如果不加以抑制,B磁场会与附近其他器件或导体形成感应电压,产生EMI即噪声。jL0EETC-电子工程专辑

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图1: 导体中流过电流产生“B”磁场和 “E”电场jL0EETC-电子工程专辑

另一个垂直的场是 “E”电场或静电场。E电场就是收集储存在电容中的能量。它会产生静电吸附,也是造成摩擦地板上的地毯之后接触到金属物体会产生火花放电的原因。E电场使无线电、电视、WiFi、蓝牙和蜂窝通信成为可能。电流经调制通过天线产生调制E电场向空中发射。这些E电场又会通过接收天线产生电流—解码为数据、语音或视频信号—进而进行无线通信。遗憾的是,噪声的发射也像数据或视频一样容易,并被其他天线或用作天线的电子器件接收。这种EMI或噪声是极不希望产生的,因为会造成通信干扰。jL0EETC-电子工程专辑

控制EMI

E电场和B磁场会造成器件EMI辐射,需要极力遏制。除采用含有接地层的多层PCB,PCB设计和布局中还采用许多技巧帮助减轻EMI辐射。尽管做出这种的努力,但遏制EMI的唯一解决办法通常是给PCB电子器件加金属罩,如图2所示。这些金属罩一般接地,俘获E和B场并对其进行衰减或短路到地,避免器件EMI外漏。jL0EETC-电子工程专辑

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图2: 用来降低电子器件EMI辐射的金属屏蔽罩jL0EETC-电子工程专辑

由于一个或多个线圈能够集中B磁场并储存其能量,或将其从一个绕组传送到另一绕组,如变压器。所以B磁场会使电感元件产生EMI问题,。线圈越多,B磁场密度越高,对周围器件产生的EMI影响越严重。如果电感或变压器含有开口磁路,或控制磁饱和的磁芯存在很大间隙,B电场会非常容易地辐射到电感体外部,对周围器件产生噪声问题。图3所示为磁芯电感典型磁通图。今天介绍的这款电感一般称为屏蔽电感。屏蔽电感(如复合型Vishay IHLP®系列)线圈绕组完全被磁性材料包裹,可将几乎所有B磁场抑制在电感内部,显著降低电感B磁场泄漏产生EMI。jL0EETC-电子工程专辑

虽然屏蔽电感在抑制B磁场方面很出色,但所有电感都是E电场发射器,无论其结构如何,这种辐射E电场是设计工程师面临的问题。电感往往是PCB上电流量最高的组件之一,也是产生E电场密度和辐射EMI最大的器件之一。因此,为了降低电感的EMI,设计师需要在PCB上将电感放在金属屏蔽罩之下,这样可将其靠近屏蔽范围内更敏感的器件。为配合电感的使用,金属屏蔽罩可能还要加大尺寸,这会增加成本并有可能使器件整体尺寸大于预期。jL0EETC-电子工程专辑

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图3: 磁芯电感开口磁路导致B电场泄漏造成EMIjL0EETC-电子工程专辑

IHLE – 控制功率电感器E电场辐射的解决方案

Vishay最近推出IHLP电感器顶部带有集成式电场屏蔽的新型IHLE系列器件 (参见图4)。jL0EETC-电子工程专辑

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图4: Vishay新型IHLE电感器采用集成式电场屏蔽减小EMIjL0EETC-电子工程专辑

集成屏蔽器件外形仅比标准IHLP电感器大0.3mm。IHLE集成屏蔽接地时,在1cm距离,电感辐射电场可减小20dB。jL0EETC-电子工程专辑

屏蔽采用铜板设计,优化厚度和覆盖范围以最大限度衰减电场,同时保持IHLP电感器的紧凑尺寸和性能。屏蔽镀镍 (抑制晶须),外层100%裹锡,便于屏蔽端子焊接PCB接地。屏蔽必须接地才能取得显著减小电场的效果。jL0EETC-电子工程专辑

图5为IHLE与其他电感器的性能对比。图中显示同一电路中三种不同电感器辐射强度的测量结果。三种电感器均为1µH,尺寸和额定电流相似。测试电路由DC/DC转换器组成,工作频率500kHz,电压12V in和1.5V out,固定直流负载15A。检测线圈直接放在电感器上方0 cm至8 cm,测量并记录电感器辐射电场的感应电压。jL0EETC-电子工程专辑

图中显示,开口磁路、鼓型磁芯电感器产生的EMI最大,拾波线圈感应到的参考电压约为3.4mV。IHLP复合电感器本身感应电压显著改进,1cm处读数约为1.0mV。与铁氧体鼓芯电感器相比,IHLP消除了拾波线圈感应到的大部分B电场,但感应电压产生一定程度E电场。这种E电场可通过IHLE采用的集成屏蔽进一步减小,最低读数约为0.28mV。jL0EETC-电子工程专辑

显然,IHLE并没有完全消除E电场和EMI,但与其他电感器解决方案相比取得了显著降低的效果。IHLE也不能减小其他器件产生的EMI,因此IHLE本身不是EMI单一解决方案,但可以改进功率电感器的辐射EMI。这种改进使设计工程师能够重新调整功率电感器在PCB上的位置,或在某些情况下取消所需的单独金属屏蔽罩。jL0EETC-电子工程专辑

由于采用四个接头,在高度冲击振动情况下,需要进行机械安全性测量时,IHLE比两接头IHLP具有更强的抗振性和抗机械冲击能力。 jL0EETC-电子工程专辑
IHLE目前供货尺寸为常用4040 (10mm x 10mm x 4.3mm),具有相同额定电流和DCR的任何标准IHLP4040等效电感值。Vishay计划2017年发布更加通用规格的IHLE,其中包括5050 (13mm x 13mm)、3232 (8mm x 8mm)、2525 (6.5mm x 6.5mm)、2020 (5mm x 5mm)和1616 (4mm x 4mm)。jL0EETC-电子工程专辑

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图5: 图中显示IHLE感应电动势低于其他电感器jL0EETC-电子工程专辑

编按:本文作者 Tim Shafer现任Vishay电感器产品营销副总裁,具有38年磁材和器件工作经验。jL0EETC-电子工程专辑

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