EMC滤波元件特性比较及超宽频带滤波器介绍

EMI滤波器件•电容•磁珠•电感•共模滤波器•超宽频带噪声抑制器郑重声明•这份资料是一位从事PCB板设计、EMC研究多年，台湾的大学教授余老师编写的，我只做了一些编辑•希望这份材料能够对从事电子设备印刷电路板设计人员、EMC研究人员有所帮助•希望对国产电子设备顺利通过EMC检测，走出国门有所贡献，尤其资料中介绍的新产品——超宽频带滤波器能给大家带来便利•余老师是超宽频带滤波器的发明人和专利拥有者•为了避免不必要麻烦的产生，请不要转载，只供大家做个参考•此资料只限在中国大陆使用R,L,C器件TDR响应在处理各类电子产品电磁波噪声的成因有如下因素:•A.电源系统所引发的Boardband型态噪声电源噪声是由电源回路高速交换运作(switch)所产生的switchingnoise所构成的宽带噪声,因此要处理电源噪声的组件就必须满足两个基本条件:1.耐电流要足够大2.要具备宽带信号衰减的规格•B.高速数字回路运作所引发的频率(ClockNarrowBand)型态噪声由高速数字回路的0与1高速交换所引发的窄频频率型态,此窄频频率的噪声会出现在该主要的工作频率的倍频谐波(40times)，因此该窄频噪声会出现在很宽的频谱上,因此要处理频率噪声的组件就必须满足能解决宽带噪声的规格电磁波噪声成因典型的EMI噪声拟制元件特性•一般的数字工程师所接受的传统滤波观念就是使用旁路(ByPass)电容,将所看到的噪声滤除,所以我们可以先充份了解旁路电容对信号的最大衰减特性:在TDR上信号看到旁路电容(BYPASS电容),就像看到一个低阻抗的通路,因此高频信号会自动流经旁路电容下地，而每一个不同的电容值所产生的最大信号衰减频率点及有效衰减频带都不一样典型的EMI噪声拟制元件特性旁路电容噪声滤波特性首先验证测试工具及测试用空白PCB，在网络分析仪的频谱上没有任何的信号衰减空白PCB衰减特性EMI器件滤波特性测量测试仪器:Agilent5070B网络分析仪监测频率范围：300KHzto3GHz10PF旁路电容衰减特性曲线NotchBand:1.7GHzto2.8GHzNotchPoint:2.1GHz(-39dB)100PF旁路电容衰减特性曲线NotchBand:748MHzto1.5GHzNotchPoint:1.1GHz(-43dB)100pF1000PF旁路电容衰减特性曲线NotchBand:73MHzto600MHzNotchPoint:209MHz(-38dB)1000pF10000PF旁路电容衰减特性曲线NotchBand:300KHzto956MHzNotchPoint:28MHz(-58dB)10000pF旁路电容衰减特性比较电容的阻抗特性0.0010.010.11101000.1110100100010000100uF10uF1uF100nF10nF1nF100pF10pF1pFImpedance(ohm)Frequency(MHz)ChoosingaDe-CapMontrose,EMCandthePrintedCircuitBoard,Wiley,1999典型的EMI噪声拟制元件特性旁路电容噪声滤波特性测试结果如上图所示，观查图形我们可以发现，所有的旁路电容其滤波曲线皆为窄频的常态曲线,而不具备宽带的浴缸式的滤波曲线，并且不同的容值仅针对不同的特定信号频带产生最大的有效信号衰减，因此使用单一个旁路电容来进行特定的频带滤波是可行的,但无法提供宽带带的噪声处理能力.典型的EMI噪声拟制元件特性旁路电容噪声滤波特性典型的EMI噪声拟制元件特性磁珠噪声滤波特性•除了使用旁路电容来处理噪声的问题之外，最常用来处理电子产品的EMI噪声问题的组件还有磁珠(ferritebead)，磁珠的成份是由一种铁氧体的合金粉末所构成，而合金的材质会影响滤波作用的频带，当电磁波射入此磁珠(ferritebead)的材料表面时会在组件表面形成一层极薄的磁性壁，壁内部的磁性材料会因为外部射入的电磁能量而进行自旋进动效应，从而产生分子间的相互磨擦，将部份电磁能转化为热能消耗掉。•磁珠(ferritebead)到底能转化多大的电磁能量呢?为什么很多的时候用了很多不同阻值的磁珠，还是无法解决EMI噪声的问题呢?•让我们来彻底了解磁珠的信号衰减特性，就能知道磁珠的EMI滤波最佳的应用效果了磁珠噪声转换方式电磁能在磁性壁使铁氧体分子产生自旋进动导至分子间摩擦变成热能目前典型的EMI噪声拟制元件特性磁珠噪声滤波特性让我们用网络分析仪的衰减测量模式来测试不同阻值的磁珠所产生的最大信号衰减频率点及有效衰减频带如下：目前典型的EMI噪声拟制元件特性磁珠噪声滤波特性首先验证测试工具及测试用空白PCB在网分仪的频谱上没有任何的信号衰减典型的EMI噪声拟制元件特性磁珠噪声滤波特性•通常在频谱仪上要看到有效的噪声衰减，其最基本的衰减能力必须达到-20dB以上•下图的300ΩFerriteBead最大衰减频率点121.57MHz-13.97dB衰减量不足典型的EMI噪声拟制元件特性磁珠噪声滤波特性通常在频谱仪上要看到有效的噪声衰减,其最基本的衰减能力必须达到-20dB以上下图的600Ω磁珠最大衰减频率点89.42MHz-18.4dB衰减量不足，并且最大衰减频点为89.42MHz，与元件规格相比产生约100MHz的频偏典型的EMI噪声拟制元件特性磁珠噪声滤波特性通常在频谱仪上要看到有效的噪声衰减，其最基本的衰减能力必须达到-20dB以上下图的3000Ω磁珠最大衰减频率点58.08MHz-25.7dB衰减量足够有效衰减频带为25.12to118.36MHz与元件规格相比产生约100MHz的频偏目前典型的EMI噪声拟制元件特性磁珠噪声滤波特性通常在频谱仪上要看到有效的噪声衰减，其最基本的衰减能力必须达到-20dB以上下图的240Ω高频磁珠最大衰减频率点1GHz-10.23dB衰减量不足目前典型的EMI噪声拟制元件特性磁珠噪声滤波特性通常在频谱仪上要看到有效的噪声衰减，其最基本的衰减能力必须达到-20dB以上下图的大电流3A/600Ω磁珠最大衰减频率点1GHz-5.9dB衰减量不足典型的EMI噪声拟制元件特性磁珠噪声滤波特性综合以上磁珠的测量结果得知：现在市售的磁珠有频率偏移及衰减量不足等问题，无法充份发挥该材料应有的噪声衰减功能，且无法提供宽带的滤波功能，所以时常令处理EMI噪声问题的工程师感觉无效及沮丧，因此浪费了很多EMI噪声处理的时间，有时甚至常常必须以金属包覆的方式来通过EMI测试，大大提升产品的材料成本，同时也降低了产品市场价格的竞争性多层芯片式磁珠的内部结构多层芯片式磁珠的内部结构多层芯片式磁珠的多层芯片式磁珠的XX光片光片电感器件作用原理•当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。•当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部份电能转成磁场能储存于电感之中。•当通过电感线圈的电流减小时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出储存的能量，以补偿电流的减小。10uH电感特性磁珠与电感的差异•电感是储能组件•磁珠是能量转换(耗散)组件•电感多用于电源滤波回路，注重于抑制传导性干扰，其应用频率范为在100MHz以下。•磁珠多用于吸收高频信号并将其能量转换，不致于产生EMI问题。•磁珠的单位是依据它在某一频率产生的阻抗来标称，所以单位是Ω，而不是H等效电路等效电路共模电流（噪声）共模电流（噪声）差分模式电流（信号）差分模式电流（信号）OppositedirectionOppositedirectionMagneticfluxcanceledNoimpedanceNoimpedanceproducedtosignalSamedirectionSamedirectionMagneticfluxaddedProducingimpedanceProducingimpedancetonoisetonoise共模滤波器工作原理ㆍㆍ差分传输差分传输回路：非地线回路：非地线又被叫做均衡传输又被叫做均衡传输ㆍㆍ常规信号传输常规信号传输回路：地线回路：地线groundlinegroundline信号传输信号传输使用两个磁珠使用两个磁珠输入波形(滤波前)输出波形(滤波后)较大的变形较大的变形使用一个共模滤波使用一个共模滤波输入波形(滤波前)输出波形(滤波后)变形很小变形很小磁珠可能会造成波形变形磁珠可能会造成波形变形共模滤波器工作原理未采用绿波未采用绿波使用共模滤波使用共模滤波使用磁珠绿波使用磁珠绿波EvaluationofradiatednoiseEvaluationofradiatednoiseaba~ba~bㆍㆍ较强的外部干扰信号较强的外部干扰信号干扰信号在两条线路上被同时感应，输出并不受影响干扰信号在两条线路上被同时感应，输出并不受影响差分传输特性差分传输特性理想状态理想状态相位不同步相位不同步电压不同电压不同不平衡传输的信号不平衡传输的信号不平衡传输产生噪声不平衡传输产生噪声共模噪声共模噪声(不平衡传输引起的噪声)没有平衡传输的差分信号没有平衡传输的差分信号参考地不平衡传输产生噪声不平衡传输产生噪声没有不对称出现没有不对称出现不对称出现不对称出现..没有使用共模滤波没有使用共模滤波没有不对称出现没有不对称出现..使用共模滤波使用共模滤波选择选择EMCEMC元件元件•电阻•LC滤波•共模滤波•磁珠n磁珠和共模滤波器对比磁珠和共模滤波器对比•举例：USB原始信号没有不对称现象产生.芯片型磁珠100Ω@100MHz共模模式90Ω@100MHz差分模式18Ω@240MHz共模模式600Ω@100MHz差分模式40Ω@240MHz•降噪方式项目滤波方式处理磁珠LPF共模滤波LPF绕线式共模扼流元件芯片型共模扼流线圈FilmTypeDLP31SSeries/MurataSpiralDesign•HighCouplingcoefficient(~98%)•HighInsulationResistance45㎛27㎛4.5㎛3㎛14㎛50㎛1M10M100M1G11010010001000022Ohm623OhmImpedance[ohm]Frequency[Hz]1M10M100M1G0102030405060708090100Max.98.70%100MHz98.27%CouplingCoefficient[%]Frequency[Hz]•••XXX•••XXXCommonMode:NormalMode:•••XXXXXX•••难以置信的衰减频带宽度–30MHzto8GHz(-20dB)全新的设计理念优点：1、提高系统的速度和系统的稳定性2、可普遍用于EMI/EMC解决方案中3、缩短产品的研发周期4、减少使用元器件的数量5、减少备品、备件的数量，降低库存6、降低能量消耗新产品——超宽频带滤波器（UWB）UWB噪声拟制UWB2500噪声拟制特性通常在頻譜儀上要看到有效的雜訊衰減,其最基本的衰減能力必須達到-20dB以上下圖的有效衰減頻帶為122.12MHzto2.3GHz符合寬頻的濾波特性UWB2500適用於所有電子產品的電源系統雜訊濾波UWB噪声拟制UWBB2000噪声拟制特性通常在频谱仪上要看到有效的噪声衰减，其最基本的衰减能力必须达到-20dB以上下图的有效衰减频带为300KHzto3GHz，符合宽带的滤波特性UWBB2000适用于所有电子产品的时钟窄频噪声滤波在相同的测试条件下，图1为UC3系列（1005）特性，图2为UC2系列（0603）特性，图3为两个串联之后的特性，可以看出没有尖锐的共振点，平稳地延伸至超宽频带UWBChoke噪声抵消的原理信号电流反向电流UWBChoke当外部电流经过UWBChoke时,流过UWB线圈的电流会产生与信号电流反向的逆向电流，形成一个逆磁场,与信号电流产生的磁场相互抵销，以达到减小从线路上所产生的电磁场辐射效应时钟脉冲信号的谐波需要在频域（Frequency