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你知道EMI是怎樣產(chǎn)生的,但知道如何降低它嗎?

發(fā)布時(shí)間:2018-11-07 來源:Tim Shafer 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】每種含有開關(guān)電源或微處理器電路的電子設(shè)備都存在電磁干擾 (EMI) ,降低電磁干擾需要大量工程資源并顯著增加設(shè)備的成本。規(guī)范要求限制電子器件發(fā)射的EMI量,避免附近其他器件受到這種干擾。EMI測試成本高,同時(shí),為了滿足合規(guī)要求,能有效降低EMI的設(shè)計(jì)又是十分重要的。充分了解產(chǎn)生電磁場的來源可為低EMI設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
 
EMI是怎樣產(chǎn)生的?
 
如圖1所示,導(dǎo)體中流過電流,就會產(chǎn)生兩個互相垂直的場。這兩個場的強(qiáng)度與導(dǎo)體中的電流和電壓成正比。其中一個垂直的場由數(shù)條以線表示的磁通量構(gòu)成,稱為“B”磁場。這些以線表示的磁通量是電磁器件、電機(jī)和發(fā)電機(jī)工作的關(guān)鍵。沒有電流產(chǎn)生的磁場,電流不可能轉(zhuǎn)換成做功的力。因此,在加以抑制和控制的情況下,B磁場是必不可少的。如果不加以抑制,B磁場會與附近其他器件或?qū)w形成感應(yīng)電壓,產(chǎn)生EMI即噪聲。
 
你知道EMI是怎樣產(chǎn)生的,但知道如何降低它嗎?
圖1: 導(dǎo)體中流過電流產(chǎn)生“B”磁場和 “E”電場
 
另一個垂直的場是 “E”電場或靜電場。E電場就是收集儲存在電容中的能量。它會產(chǎn)生靜電吸附,也是造成摩擦地板上的地毯之后接觸到金屬物體會產(chǎn)生火花放電的原因。E電場使無線電、電視、WiFi、藍(lán)牙和蜂窩通信成為可能。電流經(jīng)調(diào)制通過天線產(chǎn)生調(diào)制E電場向空中發(fā)射。這些E電場又會通過接收天線產(chǎn)生電流—解碼為數(shù)據(jù)、語音或視頻信號—進(jìn)而進(jìn)行無線通信。遺憾的是,噪聲的發(fā)射也像數(shù)據(jù)或視頻一樣容易,并被其他天線或用作天線的電子器件接收。這種EMI或噪聲是極不希望產(chǎn)生的,因?yàn)闀斐赏ㄐ鸥蓴_。
 
控制EMI
 
E電場和B磁場會造成器件EMI輻射,需要極力遏制。除采用含有接地層的多層PCB,PCB設(shè)計(jì)和布局中還采用許多技巧幫助減輕EMI輻射。盡管做出這種的努力,但遏制EMI的唯一解決辦法通常是給PCB電子器件加金屬罩,如圖2所示。這些金屬罩一般接地,俘獲E和B場并對其進(jìn)行衰減或短路到地,避免器件EMI外漏。
 
你知道EMI是怎樣產(chǎn)生的,但知道如何降低它嗎?
圖2: 用來降低電子器件EMI輻射的金屬屏蔽罩
 
由于一個或多個線圈能夠集中B磁場并儲存其能量,或?qū)⑵鋸囊粋€繞組傳送到另一繞組,如變壓器。所以B磁場會使電感元件產(chǎn)生EMI問題,。線圈越多,B磁場密度越高,對周圍器件產(chǎn)生的EMI影響越嚴(yán)重。如果電感或變壓器含有開口磁路,或控制磁飽和的磁芯存在很大間隙,B電場會非常容易地輻射到電感體外部,對周圍器件產(chǎn)生噪聲問題。圖3所示為磁芯電感典型磁通圖。今天介紹的這款電感一般稱為屏蔽電感。屏蔽電感(如復(fù)合型Vishay IHLP®系列)線圈繞組完全被磁性材料包裹,可將幾乎所有B磁場抑制在電感內(nèi)部,顯著降低電感B磁場泄漏產(chǎn)生EMI。
 
雖然屏蔽電感在抑制B磁場方面很出色,但所有電感都是E電場發(fā)射器,無論其結(jié)構(gòu)如何,這種輻射E電場是設(shè)計(jì)工程師面臨的問題。電感往往是PCB上電流量最高的組件之一,也是產(chǎn)生E電場密度和輻射EMI最大的器件之一。因此,為了降低電感的EMI,設(shè)計(jì)師需要在PCB上將電感放在金屬屏蔽罩之下,這樣可將其靠近屏蔽范圍內(nèi)更敏感的器件。為配合電感的使用,金屬屏蔽罩可能還要加大尺寸,這會增加成本并有可能使器件整體尺寸大于預(yù)期。
 
你知道EMI是怎樣產(chǎn)生的,但知道如何降低它嗎?
圖3: 磁芯電感開口磁路導(dǎo)致B電場泄漏造成EMI
 
IHLE – 控制功率電感器E電場輻射的解決方案
 
Vishay最近推出IHLP電感器頂部帶有集成式電場屏蔽的新型IHLE系列器件 (參見圖4)。
 
你知道EMI是怎樣產(chǎn)生的,但知道如何降低它嗎?
圖4: Vishay新型IHLE電感器采用集成式電場屏蔽減小EMI
 
集成屏蔽器件外形僅比標(biāo)準(zhǔn)IHLP電感器大0.3mm。IHLE集成屏蔽接地時(shí),在1cm距離,電感輻射電場可減小20dB。
 
屏蔽采用銅板設(shè)計(jì),優(yōu)化厚度和覆蓋范圍以最大限度衰減電場,同時(shí)保持IHLP電感器的緊湊尺寸和性能。屏蔽鍍鎳 (抑制晶須),外層100%裹錫,便于屏蔽端子焊接PCB接地。屏蔽必須接地才能取得顯著減小電場的效果。
 
圖5為IHLE與其他電感器的性能對比。圖中顯示同一電路中三種不同電感器輻射強(qiáng)度的測量結(jié)果。三種電感器均為1µH,尺寸和額定電流相似。測試電路由DC/DC轉(zhuǎn)換器組成,工作頻率500kHz,電壓12V in和1.5V out,固定直流負(fù)載15A。檢測線圈直接放在電感器上方0 cm至8 cm,測量并記錄電感器輻射電場的感應(yīng)電壓。
 
圖中顯示,開口磁路、鼓型磁芯電感器產(chǎn)生的EMI最大,拾波線圈感應(yīng)到的參考電壓約為3.4mV。IHLP復(fù)合電感器本身感應(yīng)電壓顯著改進(jìn),1cm處讀數(shù)約為1.0mV。與鐵氧體鼓芯電感器相比,IHLP消除了拾波線圈感應(yīng)到的大部分B電場,但感應(yīng)電壓產(chǎn)生一定程度E電場。這種E電場可通過IHLE采用的集成屏蔽進(jìn)一步減小,最低讀數(shù)約為0.28mV。
 
顯然,IHLE并沒有完全消除E電場和EMI,但與其他電感器解決方案相比取得了顯著降低的效果。IHLE也不能減小其他器件產(chǎn)生的EMI,因此IHLE本身不是EMI單一解決方案,但可以改進(jìn)功率電感器的輻射EMI。這種改進(jìn)使設(shè)計(jì)工程師能夠重新調(diào)整功率電感器在PCB上的位置,或在某些情況下取消所需的單獨(dú)金屬屏蔽罩。
 
由于采用四個接頭,在高度沖擊振動情況下,需要進(jìn)行機(jī)械安全性測量時(shí),IHLE比兩接頭IHLP具有更強(qiáng)的抗振性和抗機(jī)械沖擊能力。 
IHLE目前供貨尺寸為常用4040 (10mm x 10mm x 4.3mm),具有相同額定電流和DCR的任何標(biāo)準(zhǔn)IHLP4040等效電感值。Vishay計(jì)劃2017年發(fā)布更加通用規(guī)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)。
 
你知道EMI是怎樣產(chǎn)生的,但知道如何降低它嗎?
圖5: 圖中顯示IHLE感應(yīng)電動勢低于其他電感器
 
編按:本文作者 Tim Shafer現(xiàn)任Vishay電感器產(chǎn)品營銷副總裁,具有38年磁材和器件工作經(jīng)驗(yàn)。
 
 
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