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磁珠和电感在解决EMC问题中的作用

来源:    编辑:    发布时间:2021-01-23 06:28:19    浏览量:

 磁珠和电感在解决EMI和EMC方面的作用有什么区别,各有什么特点,是不是使用磁珠的效果会更好一点呢?

  从原理上来说,磁珠可等效成一个电感,所以磁珠在EMI和EMC电路中就相当于一个抑制电感的作用,主要是对高频传导干扰信号进行抑制。

  磁珠可等效成一个电感,但这个等效电感与电感线圈是有区别的,磁珠与电感线圈的最大区别就是,电感线圈有分布电容。

因此,电感线圈就相当于一个电感与一个分布电容并联。

如图1所示。

图1中,LX为电感线圈的等效电感(理想电感),RX为线圈的等效电阻,CX为电感的分布电容。

  

  理论上对传导干扰信号进行抑制,要求抑制电感的电感量越大越好,但对于电感线圈来说,电感量越大,则电感线圈的分布电容也越大,两者的作用将会互相抵消。

  

  图2是普通电感线圈的阻抗与频率的关系图,由图中可以看出,电感线圈的阻抗开始的时候是随着频率升高而增大的,但当它的阻抗增大到最大值以后,阻抗反而随着频率升高而迅速下降,这是因为并联分布电容的作用。

当阻抗增到最大值的地方,就是电感线圈的分布电容与等效电感产生并联谐振的地方。

图中,L1 》 L2 》 L3,由此可知电感线圈的电感量越大,其谐振频率就越低。

从图2中可以看出,如果要对频率为1MHz的干扰信号进行抑制,选用L1倒不如选用L3,因为 L3的电感量要比L1小十几倍,因此L3的成本也要比L1低很多。

  如果大家还要对抑制频率进一步提高,那么大家最后选用的电感线圈就只好是它的最小极限值,只有1圈或不到1圈了。

磁珠,即穿心电感,就是一个匝数小于1圈的电感线圈。

但穿心电感比单圈电感线圈的分布电容小好几倍到几十倍,因此,穿心电感比单圈电感线圈的工作频率更高。

  穿心电感的电感量一般都比较小,大约在几微亨到几十微亨之间,电感量大小与穿心电感中导线的大小以及长度,还有磁珠的截面积都有关系,但与磁珠电感量关系最大的还要算磁珠的相对导磁率 。

图3、图4是分别是引导线和穿心电感的原理图,计算穿心电感时,首先要计算一根圆截面直导线的电感,然后计算结果乘上磁珠相对导磁率 就可以求出穿心电感的电感量。

 

 

  

  另外,当穿心电感的工作频率很高时,在磁珠体内还会产生涡流,这相当于穿心电感的导磁率要降低,此时,大家一般都使用有效导磁率 。

有效导磁率 就是在某个工作频率之下,磁珠的相对导磁率。

但由于磁珠的工作频率都只是一个范围,因此在实际应用中多用平均导磁率 。

 在低频时,一般磁珠的相对导磁率都很大(大于100),但在高频时其有效导磁率只有相对导磁率的几分之一,甚至几十分之一。

因此,磁珠也有截止频率的问题,所谓截止频率,就是使磁珠的有效导磁率下降到接近1时的工作频率fc,此时磁珠已经失去一个电感的作用。

一般磁珠的截止频率fc都在 30~300MHz之间,截止频率的高低与磁珠的材料有关,一般导磁率越高的磁芯材料,其截止频率fc反而越低,因为低频磁芯材料涡流损耗比较大。

使用者在进行电路设计的时候,可要求磁芯材料的提供商提供磁芯工作频率与有效导磁率 的测试数据,或穿心电感在不同工作频率之下的曲线图。

图5是穿心电感的频率曲线图。

  

  磁珠另一个用途就是用来做电磁屏蔽,它的电磁屏蔽效果比屏蔽线的屏蔽效果还要好,这是一般人不太注意的。

其使用方法就是让一双导线从磁珠中间穿过,那么当有电流从双导线中流过时,其产生的磁场将大部份集中在磁珠体内,磁场不会再向外辐射;由于磁场在磁珠体内会产生涡流,涡流产生电力线的方向与导体表面电力线的方向正好相反,互相可以抵消,因此,磁珠对于电场同样有屏蔽作用,即:磁珠对导体中的电磁场有很强的屏蔽作用。

  使用磁珠进行电磁屏蔽的优点是磁珠不用接地,可以免去屏蔽线要求接地的麻烦。

用磁珠作为电磁屏蔽,对于双导线来说,还相当于在线路中接了一个共模抑制电感,对共模干扰信号有很强的抑制作用。

  由此可知,电感线圈主要是用于对低频干扰信号进行EMI抑制,而磁珠主要是对高频干扰信号进行EMI抑制,因此,对一个频带很宽的干扰信号进行EMI抑制,必须同时采用多个不同性质的电感才会有效。

另外,对共模传导干扰信号进行EMI抑制,还要注意抑制电感与Y电容的连接位置。

Y电容和抑制电感尽量靠近电源的输入端,即电源插座的位置,并且高频电感要尽量靠近Y电容,而Y电容还要尽量靠近与大地连接的地线(三心电源线的地线),这对EMI抑制才有效。

  附件:

  1、圆截面直导线电感与穿芯电感的计算:

  如图3所示圆截面直导线,其电感为:

   [H] (1)

  其中:

  L:圆截面直导线的电感[H]

   :导线长度[m]

  r:导线半径[m]

   :真空导磁率,? [H/m]

  【说明】这是在》》 r的条件下的计算公式。

当圆截面直导线的外部有磁珠时,简称磁珠,磁珠的电感是圆截面直导线的电感的倍,是磁芯的相对导磁率,为磁芯的导磁率,也称绝对导磁率,是一个无单位的常数,它很容易通过实际测量来求得。

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