【導(dǎo)讀】電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)很多電路設(shè)計(jì)需要考慮的環(huán)節(jié)，因?yàn)樗艽蟪潭壬嫌绊懏a(chǎn)品質(zhì)量和價(jià)格。有工程師問(wèn)道：磁珠和電感可以用來(lái)解決EMI和EMC嗎？如何解決呢？磁珠和電感在解決EMI和EMC方面的作用有什么區(qū)別，各有什么特點(diǎn)，哪種效果會(huì)更好一點(diǎn)呢?
磁珠和電感在解決EMI和EMC方面的作用有什么區(qū)別，各有什么特點(diǎn)，是不是使用磁珠的效果會(huì)更好一點(diǎn)呢?
磁珠專(zhuān)用于抑制信號(hào)線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，還具有吸收靜電脈沖的能力。磁珠是用來(lái)吸收超高頻信號(hào)，象一些RF電路，PLL,振蕩電路，含超高頻存儲(chǔ)器電路(DDRSDRAM,RAMBUS等)都需要在電源輸入部分加磁珠，而電感是一種蓄能元件，用在LC振蕩電路，中低頻的濾波電路等，其應(yīng)用頻率范圍很少超過(guò)50MHZ. 磁珠有很高的電阻率和磁導(dǎo)率，等效于電阻和電感串聯(lián)，但電阻值和電感值都隨頻率變化。
磁珠的功能主要是消除存在于傳輸線結(jié)構(gòu)(電路)中的RF噪聲，RF能量是疊加在直流傳輸電平上的交流正弦波成分，直流成分是需要的有用信號(hào)，而射頻RF能量卻是無(wú)用的電磁干擾沿著線路傳輸和輻射(EMI)。要消除這些不需要的信號(hào)能量，使用片式磁珠扮演高頻電阻的角色(衰減器)，該器件允許直流信號(hào)通過(guò)，而濾除交流信號(hào)。通常高頻信號(hào)為30MHz以上，然而，低頻信號(hào)也會(huì)受到片式磁珠的影響。磁珠有很高的電阻率和磁導(dǎo)率，他等效于電阻和電感串聯(lián)，但電阻值和電感值都隨頻率變化。他比普通的電感有更好的高頻濾波特性，在高頻時(shí)呈現(xiàn)阻性，所以能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的阻抗，從而提高調(diào)頻濾波效果。
磁珠可等效成一個(gè)電感，但這個(gè)等效電感與電感線圈是有區(qū)別的，磁珠與電感線圈的最大區(qū)別就是，電感線圈有分布電容。因此，電感線圈就相當(dāng)于一個(gè)電感與一個(gè)分布電容并聯(lián)。如圖1所示。圖1中，LX為電感線圈的等效電感(理想電感)，RX為線圈的等效電阻，CX為電感的分布電容。
電感器(電感線圈)和變壓器均是用絕緣導(dǎo)線(例如漆包線、紗包線等)繞制而成的電磁感應(yīng)元件，也是電子電路中常用的元器件之一，相關(guān)產(chǎn)品如共模濾波器等。當(dāng)線圈中有電流通過(guò)時(shí)，線圈的周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)線圈中電流發(fā)生變化時(shí)，其周?chē)拇艌?chǎng)也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，此變化的磁場(chǎng)可使線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(電動(dòng)勢(shì)用以表示有源元件理想電源的端電壓)，這就是自感。兩個(gè)電感線圈相互靠近時(shí)，一個(gè)電感線圈的磁場(chǎng)變化將影響另一個(gè)電感線圈，這種影響就是互感。互感的大小取決于電感線圈的自感與兩個(gè)電感線圈耦合的程度，利用此原理制成的元件叫做互感器。
理論上對(duì)傳導(dǎo)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制，要求抑制電感的電感量越大越好，但對(duì)于電感線圈來(lái)說(shuō)，電感量越大，則電感線圈的分布電容也越大，兩者的作用將會(huì)互相抵消。
圖2是普通電感線圈的阻抗與頻率的關(guān)系圖，由圖中可以看出，電感線圈的阻抗開(kāi)始的時(shí)候是隨著頻率升高而增大的，但當(dāng)它的阻抗增大到最大值以后，阻抗反而隨著頻率升高而迅速下降，這是因?yàn)椴⒙?lián)分布電容的作用。當(dāng)阻抗增到最大值的地方，就是電感線圈的分布電容與等效電感產(chǎn)生并聯(lián)諧振的地方。圖中，L1 》 L2 》 L3，由此可知電感線圈的電感量越大，其諧振頻率就越低。從圖2中可以看出，如果要對(duì)頻率為1MHz的干擾信號(hào)進(jìn)行抑制，選用L1倒不如選用L3，因?yàn)長(zhǎng)3的電感量要比L1小十幾倍，因此L3的成本也要比L1低很多。
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如果我們還要對(duì)抑制頻率進(jìn)一步提高，那么我們最后選用的電感線圈就只好是它的最小極限值，只有1圈或不到1圈了。磁珠，即穿心電感，就是一個(gè)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好幾倍到幾十倍，因此，穿心電感比單圈電感線圈的工作頻率更高。
穿心電感的電感量一般都比較小，大約在幾微亨到幾十微亨之間，電感量大小與穿心電感中導(dǎo)線的大小以及長(zhǎng)度，還有磁珠的截面積都有關(guān)系，但與磁珠電感量關(guān)系最大的還要算磁珠的相對(duì)導(dǎo)磁率 。圖3、圖4是分別是指導(dǎo)線和穿心電感的原理圖，計(jì)算穿心電感時(shí)，首先要計(jì)算一根圓截面直導(dǎo)線的電感，然后計(jì)算結(jié)果乘上磁珠相對(duì)導(dǎo)磁率就可以求出穿心電感的電感量。
另外，當(dāng)穿心電感的工作頻率很高時(shí)，在磁珠體內(nèi)還會(huì)產(chǎn)生渦流，這相當(dāng)于穿心電感的導(dǎo)磁率要降低，此時(shí)，我們一般都使用有效導(dǎo)磁率 。有效導(dǎo)磁率就是在某個(gè)工作頻率之下，磁珠的相對(duì)導(dǎo)磁率。但由于磁珠的工作頻率都只是一個(gè)范圍，因此在實(shí)際應(yīng)用中多用平均導(dǎo)磁率 。
在低頻時(shí)，一般磁珠的相對(duì)導(dǎo)磁率都很大(大于100)，但在高頻時(shí)其有效導(dǎo)磁率只有相對(duì)導(dǎo)磁率的幾分之一，甚至幾十分之一。因此，磁珠也有截止頻率的問(wèn)題，所謂截止頻率，就是使磁珠的有效導(dǎo)磁率下降到接近1時(shí)的工作頻率fc，此時(shí)磁珠已經(jīng)失去一個(gè)電感的作用。一般磁珠的截止頻率fc都在30～300MHz之間，截止頻率的高低與磁珠的材料有關(guān)，一般導(dǎo)磁率越高的磁芯材料，其截止頻率fc反而越低，因?yàn)榈皖l磁芯材料渦流損耗比較大。使用者在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，可要求磁芯材料的提供商提供磁芯工作頻率與有效導(dǎo)磁率的測(cè)試數(shù)據(jù)，或穿心電感在不同工作頻率之下的曲線圖。圖5是穿心電感的頻率曲線圖。
磁珠另一個(gè)用途就是用來(lái)做電磁屏蔽，它的電磁屏蔽效果比屏蔽線的屏蔽效果還要好，這是一般人不太注意的。其使用方法就是讓一雙導(dǎo)線從磁珠中間穿過(guò)，那么當(dāng)有電流從雙導(dǎo)線中流過(guò)時(shí)，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)將大部份集中在磁珠體內(nèi)，磁場(chǎng)不會(huì)再向外輻射;由于磁場(chǎng)在磁珠體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生電力線的方向與導(dǎo)體表面電力線的方向正好相反，互相可以抵消，因此，磁珠對(duì)于電場(chǎng)同樣有屏蔽作用，即：磁珠對(duì)導(dǎo)體中的電磁場(chǎng)有很強(qiáng)的屏蔽作用。
使用磁珠進(jìn)行電磁屏蔽的優(yōu)點(diǎn)是磁珠不用接地，可以免去屏蔽線要求接地的麻煩。用磁珠作為電磁屏蔽，對(duì)于雙導(dǎo)線來(lái)說(shuō)，還相當(dāng)于在線路中接了一個(gè)共模抑制電感，對(duì)共模干擾信號(hào)有很強(qiáng)的抑制作用。
由此可知，電感線圈主要是用于對(duì)低頻干擾信號(hào)進(jìn)行EMI抑制，而磁珠主要是對(duì)高頻干擾信號(hào)進(jìn)行EMI抑制，因此，對(duì)一個(gè)頻帶很寬的干擾信號(hào)進(jìn)行EMI抑制，必須同時(shí)采用多個(gè)不同性質(zhì)的電感才會(huì)有效。另外，對(duì)共模傳導(dǎo)干擾信號(hào)進(jìn)行EMI抑制，還要注意抑制電感與Y電容的連接位置。Y電容和抑制電感盡量靠近電源的輸入端，即電源插座的位置，并且高頻電感要盡量靠近Y電容，而Y電容還要盡量靠近與大地連接的地線(三心電源線的地線)，這對(duì)EMI抑制才有效。
