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电磁兼容中测产生的高频效应如何解决

电磁兼容性问题通常发生在高频状态下,除个别问题(电压下降和瞬时中断等)外。因此,在电磁兼容性设计中必须有高频思维,总之,是注意高频条件下设备和电路的特点,在高频和传统频率状态下不同,如果仍按照普通工程思维进行判断和分析,就会进入设计误解。

一.电容

在中低频或直流情况下,电容器是一个储能组件,只表现为一个电容器的特性,但在高频情况下,它不仅是一个电容器,它具有理想的电容器特性、漏电流(R在高频等效电路上)、      导线电感和ESR(等效串联电阻),导致电压脉冲波动,如图所示:


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从这张图中分析,可以帮助我们的设计师得到很多有益的设计思路。

首先,按照常规思路,Z=1/(2πFC),Z是电容的容抗,应该是频率越高,容抗越小,滤波效果越好,也就是频率越高,杂波越容易泄漏,但事实并非如此。由于引线电感的存在,一个电容器只有在其1/2πFC=2πFL等式成立时,才是整体阻抗最小的时候,滤波效果最好。如果频率高低,滤波效果会下降。因此,我们可以分析为什么ICVC端会添加两个电容器,一个电解电容器和一个陶瓷电容器,容值一般相差100倍以上,用于增加电容器的滤波带宽。

 

解决方法:

用BDL滤波器代替多个普通的退耦电容器。

BDL是一种新一代电容器。在高频状态下,BDL的专利内部结构大大降低了高频寄生效应。在高频下,由于其内部结构的平衡,具有更好的滤波和去耦效果。

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要了解BDL的平衡特性,首先要了解其物理结构,从图中可以看出:

标准旁路电容由连接到A和B两极的交替平行电极板组成。

BDL增加了两个并联参考电极G1.G2,平行印刷在A.B电极之间,形成法拉第屏蔽笼或同轴结构,以实现平衡和减少ESL。


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这种专利结构给我们带来的是BDL比普通电容器有更宽的滤波频带。现在只需要一个BDL滤波器就可以解决原本需要多个普通电容器的滤波频带,与结构相似的穿心电容器相比,不受流量限制。

二.电感

电感和电容器是一个有点相反的装置,一个是低阻力;一个是低阻力。如果暂时忽略电容器的分布,电感阻抗主要由两部分组成:一部分是电阻成分(R),另一部分是感抗成分(FL),即:

Z=2πfl


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电阻成分来自绕组电感线的电阻和磁芯的损耗。作为电磁干扰抑制的电感,我希望电阻成分越大越好。因为电阻可以将干扰能量转化为热量消耗,而感应阻力只是将干扰能量反射回信号源。

虽然电感阻抗在形式上随着频率的增加而增加,但在不同的频率范围内,性质完全不同。

低频:磁芯磁导率高,电感电感大,电感电阻成分小,阻抗以感抗为主,是一种低损耗、高Q值特性的电感。

当频率较高时:随着频率的增加,磁芯的磁导率降低,导致电感的电感成分的电感减少。然而,当磁芯损耗增加时,电阻成分增加,电阻成分主要是电阻成分。因此,当高频信号通过铁氧体时,电磁能量以热的形式消散。

 

解决办法:

磁芯材料是选择的重点,无论是共模电感还是差模电感。磁芯材料的饱和特性是使用差模电感磁芯时最重要的。作为共模电感磁芯,往往更注重磁芯材料的磁导率。

一般有两种材料用作差模电感磁芯:一种是铁粉芯,另一种是铁镍钼芯。铁芯价格较低,但在400Hz电流条件下使用时可能会出现过热问题。这两种材料最大的优点是不易饱和。但磁导率较低。

铁氧体材料主要用作共模电感磁芯,常用于锰锌铁氧体和镍锌铁氧体。虽然锰锌铁氧体的直流磁导率较高,但随着频率的增加而迅速下降;此外,由于该磁体具有良好的导电性,绕组-磁芯之间会产生较大的分布电容,因此仅适用于低频场合。镍锌铁氧体的直流磁导率较低,但可以保持较高的频率。此外,该磁体具有较大的电阻,适用于频率较高的场合。

 

三、电缆和PCB布线。

 

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PCB布线的高频等效特性(如图所示),无论高频或低频,布线电阻都是客观存在的,但对于布线电感,只有在高频时才能显示。此外,还有一个分布式电容器,但当导线附近没有导体时,这个分布式电容器是无用的,就像没有男人,女人不能生孩子一样,这需要两个导体来发挥作用。因此,我们应该关注电缆或PCB布线引起的共模噪声。

共模辐射是由电路中不希望的电压降引起的。该电压降使系统的某些部分处于高电位。当外部电缆与系统连接时,外部电缆在共模电压的作用下被激励,形成辐射电场的天线。


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因此,在设备设计中应考虑外部电缆的滤波器和内部线束的布局。

 

解决方法:

1.降低共模电压。

降低共模电压的目的是降低共模电流。当共模电路阻抗一定时,降低共模电压可以降低共模电流。

(1)电缆接口设置清洁:清洁无噪声电压,将电缆连接到接地线,可有效降低共模电压。通常与金属底盘连接,以进一步降低共模电压。

(2)屏蔽内部电缆:当内部电缆较长时,更容易感应较高的共模电压。此时,内部电缆可以屏蔽,屏蔽层需要与金属底盘连接。

 

2.控制电缆长度。

在满足使用要求的前提下,尽量使用短电缆。但电缆长度往往受设备之间连接距离的限制,不能随意缩短。此外,当电缆长度不能降低到波长的1/2时,降低电缆长度的效果并不明显。

电缆和电缆之间的间距不应太近,否则信号电缆之间的串扰会由于电线分布电容的存在而引起。当然,信号线最好更接近地线的耦合,这样信号线上的波动干扰就可以很容易地排放到地线上。

 

3.增加共模电流环路阻抗。

(1)断开电路板与机箱之间的连接(只有低频段有效);

(2)在电缆或接口端串联共模扼流圈:共模扼流圈可以对共模电流形成较大的阻抗,对差模信号没有影响,所以使用起来很简单,不需要考虑信号失真,共模扼流圈不需要接地,可以直接添加到电缆上。

 

4.共模滤波。

解决电缆辐射的另一个有效方法是对电缆进行共模滤波。共模滤波的原理是利用低通滤波电缆上的高频共模电流成分,这是电缆辐射问题的主要原因。

 

5.屏蔽电缆。

屏蔽层直接阻挡电缆中差模信号电路的差模辐射;为共模电流提供返回共模噪声源的路径,减少共模电流的回路面积。

用屏蔽电缆控制共模辐射的关键是为共模电流提供低阻抗通道,使共模电流通过屏蔽层流回共模电压源。电缆屏蔽层提供的共模电流通道的阻抗由两部分组成:一部分是屏蔽层本身的阻抗;另一部分是电缆屏蔽层与金属底盘之间的重叠阻抗。

因此,在电磁兼容设计中,为了形成低阻抗通道,不仅要求电缆本身的屏蔽层质量良好(低射频阻抗),而且电缆屏蔽层与金属底盘之间的重叠阻抗应尽可能低。确保电缆屏蔽层与底盘之间的低阻抗重叠的方法是在360°范围内连接底盘。换句话说,电缆屏蔽层与金属底盘形成完整的屏蔽,这与底盘是否接地无关。


相关关键词: 电磁兼容
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