EMC电子元器件在电子设备中的应用

深圳振华富电子有限公司王立忠EMC电子元器件在电子设备中的应用一、电磁兼容性(EMC)的基本概念1、电磁兼容的定义2、电磁干扰的产生3、电磁干扰的频段划分4、电磁干扰的危害5、电磁兼容的测试项目及要求二、振华富EMC电子元器件1、磁珠2、磁珠在电路中的应用3、电感4、电感在电路中的应用5、滤波器6、滤波器在电路中的应用三、实际参考电路的应用电磁兼容性是—设备和系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境“事物”构成不能承受的电磁骚扰能力1、电磁兼容性的定义一、电磁兼容性(EMC)的基本概念发射源产生干扰噪声的原因a发射源的隐性频率b发射源对接收源所产生的混附波与调幅干扰c发射源的不当调幅调变输出d接收机本地振荡噪声e时钟信号传送的衍生噪声f电机装置如马达继电器g电力系统如火花电晕噪声h闪电雷击接收源感受干扰噪声的原因a、接收源射频频率选用不当造成噪声渗入干扰b、混附波与调幅干扰d、电源线噪声耦合至接收源造成干扰d、电子盒箱柜隔离不佳渗入接收源造成干扰2、电磁干扰的产生3、电磁干扰的频段划分4、电磁干扰的危害a、误操作b、信息丢失c、泄密d、设备失效e、健康危害5、电磁兼容的测试项目及要求1、CE101—25Hz~10KHz电源线传导发射2、CE102—10KHz~10MHz电源传导发射3、CE107—电源线尖峰信号传导发射4、CS101—25Hz~10KHz电源线传导敏感度5、CS106—电源线尖峰信号传导敏感度6、CS114—10KHz~400MHz电缆束注入传导敏感度7、CS115—25Hz~20GHz电缆束注入脉冲激励传导敏感度8、CS116—25Hz~20GHz电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度9、RE101—25Hz~100KHz磁场辐射发射10、RE102—10KHz~18GHz电场辐射发射11、RS101—25Hz~100KHz磁场辐射敏感度12、RS102—10KHz~40GHz电场辐射敏感度13、RS105—瞬变电磁场辐射敏感度二、振华富EMC电子元器件工作原理：通过发热耗散吸收高频噪声能量2.1.1磁珠的特点及工作原理特点：•磁珠是一个耗能元件，阻抗随频率变化；•在射频噪声频率范围内具有高阻抗,消除传输线中的电磁干扰；•极好的磁屏蔽结构，不会产生交叉干扰；•较小的直流电阻,保证最小的电压降，同时可以避免对有用信号产生过大的衰减；•有效的工作在几十MHz到几百MHz的频率范围内；•不需要接地，使用时直接串接在电路上；2.1磁珠2.1.2磁珠滤除和吸收高频噪声的原理图ZL磁珠工作原理图一噪声减小噪声大2.1.3磁珠的参数•阻抗值（Z）•额定电流（Ir）•直流电阻（DCR）磁珠的单位是欧姆。因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的，阻抗的单位也是欧姆。阻抗Z是磁珠中最重要的参数，阻抗Z可表示为：ZL=√R(f)2+〔ωL(f)〕2式中：电阻R(f)和ωL(f)感抗均为频率的函数。①阻抗Z的大小与频率紧密相关；②阻抗Z值的误差范围是：±25%；③样本书上标明的阻抗值是在100MHz的测量值。2.1.4磁珠的阻抗Z2.1.5磁珠频谱曲线图图二磁珠的等效电路(a)RacRdcLC磁珠的电路符号(c)ZLRsLs磁珠的等效电路(b)2.1.6磁珠的等效电路及符号图三2.1.7磁珠在不同工作电流时的阻抗频率特性图四Initial(Nofilter)MLCB2B3216-470BMLCB2B3216-221BMLCB2B3216hasexcellentperformancefornoisesuppressionandwaveformdistortionsuppression.MLCB2B3216suppressesdrasticallynotonlyspectrumlevelinmorethan100MHzrangebutwaveformdistortion.Comparinginitialwaveform,ringinfissupppressedalittleHowevertherestileremainshighlevelwaveformdistortionRingingiscausedonthesignalwaveformSuchringingcontainsseveralhundredMHzharmoniccomponentsandgeneratesnoise2.1.8磁珠对数字脉冲信号干扰的抑制图五为了消除电磁干扰，方法之一就是在有源和无源电子元器件的引线上套上一些很小的管形或环形的软磁铁氧体磁芯，利用铁氧体材料的电磁损耗机理有效地消除传导和辐射的电磁干扰噪声。这种抗电磁干扰的方法既简便又有效，所以获得了十分广泛的应用。由于串在引线上用于抗电磁干扰的铁氧体小管或小环有些像一串珍珠，所以它们得到了一个很形象化的名称—磁珠（Bead）。2.1.9早期的磁珠随着信息电子产业的高速发展，特别是数字电路的高速发展，各类电气、电子产品已进入社会生活的各个角落。随着使用频率范围日益扩展，频率使用密度日益增加，使得电磁信号环境越来越复杂。更主要的是对未来电子设备和仪器要求微型化、重量轻并便于携带，对元器件的性能要求越来越高，体积也越来越小，为了更便于加工生产并要求可靠性更高。叠层片式磁珠的出现是电子产业发展的必然结果。独石型一体化的结构，可靠性高；适合双表面安装；闭合磁路，漏磁小，无交互干扰2.1.10叠层片式磁珠2.1.11EMC元器件演变历程系列应用特点尺寸范围阻抗范围(Ω)额定电流Max(mA)RH信号线大电流线路Φ2.5×3~Φ3.5×925~50R6H信号线大电流线路Φ6×10350~580MLCB信号线用1608~453210~25001000PB大电流线路1608~453210~10006000CBA信号线用2010~321630~1000200CMW信号线用2012901002.1.12振华富磁珠系列产品2.1.13电磁干扰抑制部位•时钟发生电路；•模拟电路和数字电路之间的滤波隔离；•I/O输入/输出内部连接器（比如串口,并口,键盘,鼠标,长途电信,本地局域网）；•射频（RF）电路和易受干扰的逻辑设备之间；•供电电路中滤除高频传导干扰；•计算机,打印机,录像机（VCRS）,电视系统和手提电话中的EMI噪声抑止；2.1.14磁珠的应用场合…2.1.15MLCB及CAB系列磁珠在并行数据信号线上的应用图六2.1.16CB系列磁珠在时钟电路中的应用图七一般选择原则是时钟的工作频率越高选择磁珠的阻抗越小。根据时钟脉冲信号的工作频率，选型如下表：选择磁珠型号为MLCB系列磁珠选用要考虑电路的工作电流、脉冲电流、瞬态电流和环境条件（温度,直流电压,结构强度）。2.1.17在时钟电路中对磁珠的选型要求Ω120≥Ω≥3140≤f≤1001≤f≤40300≥Ω≥120f≤1Ω≥300f≥100f≤31并行数据线电路中磁珠的选型要求也是根据工作频率越高选择磁珠的阻抗越小的原则进行，可参照时钟电路中的选型要求。但对于数据线信号波形上升沿的要求没有时钟信号的要求高，故在选择时磁珠的阻抗可比时钟电路中的阻抗偏大一些，一般增加值为20%，磁珠可选型号为MLCB和CBA系列。2.1.18磁珠在并行数据线电路中的选型要求2.1.19MLCB及CMW系列产品在串行数据信号线上的应用Ω2.1.20PB型系列磁珠在电源电路中的应用ΩΩΩ2.1.21PB系列磁珠在直流供电回路的应用……2.1.22PB系列磁珠在摸拟数字电源电路中的应用…2.1.23PB磁珠在电源电路中的选型要求a、如图18所示：图中ZPB1磁珠是接在正电源到集成电路电源输入口上，要求靠近集成电路的电源输入口装配.器件的选择以磁珠的额定电流大于电路中Io工作电流二倍以上，阻抗值选300—1000(典型值600)。b、接在集成电路接地端的ZPB2磁珠的额定电流也要求大于Io电流二倍以上，阻抗典型值选小于10。图中A电路为模拟电路，D为数字电路。c、电路中使用了ZPB1和ZPB2作为电源滤波和接地隔离，达到了数字电路和模拟电路之间的隔离要求。ΩΩΩ2.1.24PB及CB系列磁珠在分系统电路板中的应用……2.2.1电感的特点及工作原理2.2电感特点：•电感是一个储能元件，阻抗随频率变化。•在纹波噪声频率范围内具有高阻抗,消除传输线中的纹波干扰。•较小的直流电阻,保证最小的电压降。•有效的工作在几十Hz到几十MHz的频率范围内。•可分为共模电感和差模电感；与电容组合构成高效的滤波器。2.2.2电感的电路符号(3)电感器的性能参数电感量L品质因数Q自谐振频率SRF直流电阻DCR电感量是电感器的最重要参数，它是在一定频率的条件下测得的电感值，在额定使用条件下和工作频率范围内它是一个常量。它的感抗值Z等于：Z=ωL感抗是频率的函数，在一定的工作频率范围内频率越高感抗越大。电感在相同感值情况下尺寸越大，可靠性越高。(4)电感量(L)(5)品质因数Q•品质因数Q是电感器的另外一个重要参数，表示电感器的储能与耗能之比，根据下面公式可近似计算：•通常品质因数Q愈大愈好，在选择电感器时，要注意：•品质因数Q在产品样本或送样的承认书上标出的是最小值；•品质因数Q与测试频率有关，产品样本上对应电感量的Q值均有对应的测量频率；•品质因数Q与电感量有关。Q=RωL(6)自谐频率SRF•自谐频率SRF是电感应用中值得考虑的一个重要指标，其值越高，说明该电感的使用频率越高。应注意：•自谐频率SRF与材料及其电感量有关，电感量越大，SRF越小；•产品样本上给出的SRF表示最小值；•电感在使用时的频率应小于SRF，同时考虑电路所需的Q值。(7)直流电阻DCR•直流电阻DCR是表征电感器的直流或低频下的一个参数。一般地，希望直流电阻DCR愈小愈好，所以：•①直流电阻DCR与材料及其电感量有关，电感量越大，DCR越大；•②产品样本上给出的DCR表示最大值；•③低的DCR可以保证最小的电压降。(8)电感与电容组成的各型滤波器(9)电感的种类a外形分类插件电感绕线贴片电感叠层贴片电感b功能分类电源滤波电感高频振荡电感高频扼流圈高频滤波电感LGB系列插件电感RI系列TI系列LGA系列插件电感的特点•通常用较粗的铜线绕在骨架上，绝大多数都具有引脚；•电感量高，品质因素Q较高，额定电流大；•需通过手工插件、焊接，安装效率低；•外形尺寸很大、多，暂无标准化；•磁路不屏蔽，易产生交互干扰。贴片电感HWI系列LQH系列NL系列FWI系列贴片电感SD系列SMRH系列SM系列贴片电感的特点•工艺继承性强，体积小型化；•可以自动贴装；•具有较高的Q值；•磁路有带屏蔽和不屏蔽两种，带屏的能较好的防止辐射和交互干扰。叠层贴片电感器•铁氧体电感•陶瓷电感叠层电感的特点•独石型一体化的结构，可靠性高；•形状符合EIA标准，适合双表面安装；•闭合磁路，漏磁小，无交互干扰；•电感量较小，电流相对也小。几种贴片电感器的比较特性叠层式线绕功率感量范围中较高中Q值中高低频率范围宽（中高频）宽窄（低频）体积小中大磁屏蔽Yes湿温，抗冲击，高低频NoYes/No可靠性耐酸碱均稳定可靠性差，通常用于中高频率稳定性较好，通常仅用于中低频率额定电流小中大标准化全中不全EMC主要解决方法屏蔽：振荡器、混频器等高速信号收发连接电路接地：单点及多点，通常低速信号单点，高速信号多点印刷板设计：按频率分区、尽可能缩短引线长度电磁兼容防范性设计：按功能块将电源、地、输入、输出口均采取抗干扰措施进行隔离EMI滤波（滤波器件：电感、磁珠、电容、滤波器等）采用表贴元件，缩小辐射面积，缩短互连引线降低工作电压和电流，缩小辐射功率(17)功率电感在DC/DC电源电路中的应用图十八Vi功率电感在DC/DC电源电路中的选择•电感选用要考虑电路的工作电流，还要考虑电路的脉冲电流、瞬态电流和瞬态响应的要求•尽量选用磁路闭合的电感，避免产生交叉干扰。•选择要求（如图二十）：•A、Io=0.6Isat•B、电感量的选择，根据电感时间常数τ=L/R得式•L=τR•式中R=Vo/I