EMC（电磁兼容）之元器件选型篇

HelloEE · 发表于 2019-12-4 10:32

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电磁兼容性元器件是解决电磁干扰发射和电磁敏感度问题的关键，正确选择和使用这些元器件是做好电磁兼容性设计的前提。因此，我们必须深入掌握这些元器件，这样才有可能设计出符合标准要求、性能价格比最优的电子、电气产品。而每一种电子元件都有它各自的特性，因此，要求在设计时仔细考虑。接下来我们将讨论一些常见的用来减少或抑制电磁兼容性的电子元件和电路设计技术。

元件组

有两种基本的电子元件组：有引脚的和无引脚的元件。有引脚线元件有寄生效果，尤其在高频时。该引脚形成了一个小电感，大约是1nH/mm/引脚。引脚的末端也能产生一个小电容性的效应，大约有4pF。因此，引脚的长度应尽可能的短。与有引脚的元件相比，无引脚且表面贴装的元件的寄生效果要小一些。其典型值为：0.5nH的寄生电感和约0.3pF 的终端电容。

从电磁兼容性的观点看，表面贴装元件效果最好，其次是放射状引脚元件，最后是轴向平行引脚的元件。

一、EMC 元件之电容

在EMC 设计中，电容是应用最广泛的元件之一，主要用于构成各种低通滤波器或用作去耦电容和旁路电容。大量实践表明：在EMC 设计中，恰当选择与使用电容，不仅可解决许多EMI 问题，而且能充分体现效果良好、价格低廉、使用方便的优点。若电容的选择或使用不当，则可能根本达不到预期的目的，甚至会加剧 EMI 程度。

从理论上讲，电容的容量越大，容抗就越小，滤波效果就越好。一些人也有这种习惯认识。但是，容量大的电容一般寄生电感也大,自谐振频率低（如典型的陶瓷电容，0.1μF 的f0=5 MHz,0.01μF 的f0=15MHz,0.001μF 的f0=50 MHz），对高频噪声的去耦效果差，甚至根本起不到去耦作用。分立元件的滤波器在频率超过10 MHz 时，将开始失去性能。元件的物理尺寸越大，转折点频率越低。这些问题可以通过选择特殊结构的电容来解决。

贴片电容的寄生电感几乎为零，总的电感也可以减小到元件本身的电感，通常只是传统电容寄生电感的1/3~1/5，自谐振频率可达同样容量的带引线电容的2 倍（也有资料说可达10 倍），是射频应用的理想选择。

传统上，射频应用一般选择瓷片电容。但在实践中，超小型聚脂或聚苯乙烯薄膜电容也是适用的，因为它们的尺寸与瓷片电容相当。

三端电容能将小瓷片电容频率范围从50 MHz 以下拓展到200 MHz 以上，这对抑制VHF 频段的噪声是很有用的。要在VHF 或更高的频段获得更好的滤波效果，特别是保护屏蔽体不被穿透，必须使用馈通电容。

二、EMC 元件之电感

电感是一种可以将磁场和电场联系起来的元件，其固有的、可以与磁场互相作用的能力使其潜在地比其他元件更为敏感。和电容类似，聪明地使用电感也能解决许多 EMC 问题。下面是两种基本类型的电感：开环和闭环。它们的不同在于内部的磁场环。在开环设计中，磁场通过空气闭合；而闭环设计中，磁场通过磁芯完成磁路，如下图所示。

电感比起电容一个优点是它没有寄生感抗，因此其表面贴装类型和引线类型没有什么差别。

开环电感的磁场穿过空气，这将引起辐射并带来电磁干扰（EMI）问题。在选择开环电感时，绕轴式比棒式或螺线管式更好，因为这样磁场将被控制在磁芯（即磁体内的局部磁场）。

开环电感

对闭环电感来说，磁场被完全控制在磁心，因此在电路设计中这种类型的电感更理想，当然它们也比较昂贵。螺旋环状的闭环电感的一个优点是：它不仅将磁环控制在磁心，还可以自行消除所有外来的附带场辐射。

电感的磁芯材料主要有两种类型：铁和铁氧体。铁磁芯电感用于低频场合（几十KHz），而铁氧体磁芯电感用于高频场合（到MHz）。因此铁氧体磁芯电感更适合于EMC 应用。

在EMC 应用中特别使用了两种特殊的电感类型：铁氧体磁珠和铁氧体磁夹。铁和铁氧体可作电感磁芯骨架。铁芯电感常应用于低频场合（几十KHz），而铁氧体芯电感常应用于高频场合（MHz）。所以铁氧芯感应体更适合于EMC 应用。

三、滤波器结构的选择

EMC 设计中的滤波器通常指由L，C 构成的低通滤波器。不同结构的滤波器的主要区别之一，是其中的电容与电感的联接方式不同。滤波器的有效性不仅与其结构有关，而且还与联结的网络的阻抗有关。如单个电容的滤波器在高阻抗电路中效果很好，而在低阻抗电路中效果很差。

四、EMC 元件之磁珠

磁珠由氧磁体组成，电感由磁心和线圈组成，磁珠把交流信号转化为热能，电感把交流存储起来，缓慢的释放出去。

磁珠工作原理

1. 磁珠是一种阻抗随频率变化的电阻器

2. 低频下，感应阻抗较低

3. 随着频率增加，阻抗逐渐增大并逐渐显示出电阻功能

4. 铁氧体磁珠的工作原理是通过阻抗吸收并发热的形式将不需要频段的能量耗散掉

磁珠的选型要素：

1. 了解需要抑制的噪声频段范围

2. 明确电磁干扰源及位置

3. 明确回路的源阻抗和负载阻抗

4. 了解要求的衰减为多大

5. 了解线路板上允许的空间有多大

磁珠的电路符号就是电感但是型号上可以看出使用的是磁珠在电路功能上，磁珠和电感是原理相同的，只是频率特性不同罢了。

电感是储能元件，而磁珠是能量转换（消耗）器件。电感多用于电源滤波回路，侧重于抑止传导性干扰；磁珠多用于信号回路，主要用于EMI 方面。磁珠用来吸收超高频信号，象一些RF 电路， PLL ，振荡电路，含超高频存储器电路（DDR,SDRAM,RAMBUS 等）都需要在电源输入部分加磁珠，而电感是一种储能元件，用在LC 振荡电路、中低频的滤波电路等，其应用频率范围很少超过50MHz。

五、EMC 元件之二极管

二极管是最简单的半导体器件。由于其独特的特性，某些二极管有助于解决并防止与EMC 相关的一些问题。下表列出了典型的二极管。