
EMC濾波器件基礎(chǔ)——磁珠
磁珠全稱為鐵氧體磁珠,以鐵氧體為核心材質(zhì),主要依靠高頻電流熱損耗原理,吸收電源線、信號線中的高頻噪聲。磁珠等效電路為電感、電阻、電容三者并聯(lián)后再串聯(lián)一顆電阻,高頻工況下整體呈阻性特性,可有效耗散高頻干擾。
磁珠等效電路模型
磁珠可有效吸收信號中的高頻振鈴與毛刺干擾
按照封裝形式可分為單體磁珠與磁珠排,其中磁珠排為多顆磁珠陣列封裝結(jié)構(gòu),適配電路板高密度安裝場景。
單體磁珠
磁珠排
磁珠按應(yīng)用場景可分為電源專用磁珠與信號專用磁珠兩大類。
其中高速信號線適配的磁珠,最大阻抗對應(yīng)的工作頻率更高,有效濾波頻段也整體偏向高頻區(qū)間。
一般信號線磁珠
高速信號線磁珠
磁珠和電感的區(qū)別:磁珠阻抗沒有明顯的諧振,且隨著頻率增加,主要表現(xiàn)出電阻的效應(yīng),而電感有明顯的諧振效應(yīng),且隨著頻率增加,其高阻抗主要是電感提供的。磁珠可以耗散掉高頻能量。
磁珠VS電感
EMC選型更關(guān)注電氣參數(shù)。
頻率阻抗參數(shù):行業(yè)通常采用100MHz下的阻抗值作為磁珠表征標(biāo)準(zhǔn),但選型時優(yōu)先參考阻抗-頻率特性曲線。多款磁珠即便100MHz阻抗數(shù)值相同,最大阻抗對應(yīng)的頻點也可能差異較大,只有通過特性曲線才能明確器件有效濾波區(qū)間。
在各項電氣參數(shù)均滿足電路要求的前提下,磁珠阻抗越高,濾波抑制效果越優(yōu)異。
除通用選型要點外,信號接口電路額外需考量信號工作頻率,選用的磁珠不得干擾有用信號正常傳輸。
選型第一步:確定額定電流電源電路:
選用電源專用磁珠,額定電流需預(yù)留 50% 降額余量;例如回路工作電流 1A 時,磁珠額定電流至少選取 2A。信號接口:信號線電流穩(wěn)定且普遍低于 200mA,僅需匹配回路通流需求即可。
在額定電流、直流阻抗均滿足要求的基礎(chǔ)上,優(yōu)先選用 100MHz 阻抗更高的磁珠,磁珠依靠高阻抗實現(xiàn)噪聲吸收與濾波。
選型第二步:確認電路工作頻率電源電路:
電源工作頻率普遍偏高,基本無需擔(dān)心磁珠高阻抗干擾電路正常運行。信號電路:串聯(lián)于信號線的濾波磁珠,在信號工作頻點處阻抗應(yīng)盡量偏低,減小傳輸線阻抗突變,保障有用信號正常傳輸。
備注:(1)普通信號線:適配工作頻率 f<10MHz 電路,信號工作頻點下阻抗需低于 50Ω;(2)高速信號線:適配 10MHz<f<30MHz 電路,信號工作頻點下阻抗建議小于 30Ω。實際效果以上機實測為準(zhǔn),選型后需上機驗證信號完整性是否達標(biāo)。
選型第三步:100MHz 阻抗選型
在通流能力、直流阻抗、信號傳輸性能均滿足電路運行要求時,磁珠阻抗越高,濾波插入損耗越大,噪聲抑制效果越佳。磁珠100MHz阻抗常規(guī)區(qū)間為50Ω~1000Ω,工程常用典型規(guī)格為300Ω~600Ω。
注意:磁珠選型不可僅參考100MHz阻抗數(shù)值。即便兩款磁珠100MHz阻抗一致,高低頻段的阻抗曲線、濾波特性也會存在明顯差距,僅依靠單頻點阻抗無法完整評判器件濾波性能,選型務(wù)必搭配阻抗-頻率曲線綜合判斷。
磁珠用于芯片電源濾波
磁珠電源濾波電路中,磁珠布置于數(shù)字電源與模擬電源的分隔區(qū)域,兩側(cè)搭配電容組成 C-FB-C 型 Π 式濾波網(wǎng)絡(luò),可抑制數(shù)字電源向模擬電源耦合傳導(dǎo)的干擾噪聲。
RS232接口信號濾波
232電路EMC設(shè)計分析
1) D1、D2為TVS管可以有效抑制在插拔過程中產(chǎn)生的大能量干擾和靜電干擾沖擊,此處選用的參數(shù)為SMAJ18CA;
2)先防護再濾波,L1、L2為磁珠,可對高頻擾形成高阻抗,C1~C4則為干擾提供低阻抗泄放通路,避免干擾通過RS232線路傳輸,此處磁珠選用的參數(shù)為6000@100MHz,;
當(dāng)RS232安裝在室外時,還需增加雷擊浪涌等大能量沖擊的防護,類似于RS485電路結(jié)構(gòu)的氣體放電管、熱敏電阻等。
232電路PCB布局EMC要點
1)該電路防護器件回流至FG設(shè)備機殼地;金屬外殼設(shè)備采用分地設(shè)計,機殼FG地與數(shù)字地通過1nF電容連接,F(xiàn)G就近接外殼;非金屬外殼設(shè)備則將FG直接連通數(shù)字地,元器件分區(qū)布置。
2)磁珠、TVS等保護器件緊貼PCB板邊或連接器放置,讓外部浪涌、干擾在接口位置完成濾除。
3)接口及其濾波保護電路周邊禁止走線,接口浪涌防護瞬間di/dt、dv/dt數(shù)值大,極易耦合干擾鄰近線路。
4)信號線選用屏蔽線纜,線纜屏蔽層與連接器實現(xiàn)完整360°環(huán)繞搭接。