EMC电路设计之元器件选型-下

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  电磁干扰滤波器的选用
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EMC设计中的滤波器通常指由L，C构成的低通滤波器。不同结构的滤波器的主要区别之一，是其中的电容与电感的联接方式不同。滤波器的有效性不仅与其结构有关，而且还与联结的网络的阻抗有关。如单个电容的滤波器在高阻抗电路中效果很好，而在低阻抗电路中效果很差。

1 j7 F  P" o) S# d& O+ r6 H实践表明，即使对一个经过很好设计并且具有正确的屏蔽和接地措施的产品，也仍然会有传导干扰发射或传导干扰进入产品。滤波是压缩干扰频谱的一种有效方法，当干扰频谱不同于有用信号的频带时，可以用电磁干扰滤波器将无用的干扰滤除。因此，恰当地选择和正确地使用滤波器对抑制传导干扰是十分重要的。从频率选择的角度出发，电磁干扰滤波器属于低通滤波器，分为信号线滤波器和电源线滤波器等。

1. 信号线滤波器
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6 q, n* o/ s) {! i信号线滤波器是用在各种信号线上的低通滤波器，用来滤除高频干扰成分。可分为线路板滤波器、馈通滤波器和连接器滤波器等三种。线路板滤波器适合于安装在线路板上，具有成本低、安装方便等优点;馈通滤波器适合于安装在屏蔽壳体上，特别适用于单根导线或电缆穿过屏蔽体时使用;滤波器连接器适用于多根导线或电缆穿过屏蔽体时使用。滤波器连接器在外形上和尺寸上都和普通连接器相同，两者完全可以互换。但滤波器连接器的每个针或孔上都有一个低通滤波器，它的电路可以是单个电容的，也可以是L型或π型的。

; ~- c# f. E4 c1 R选用信号线滤波器时，应根据使用的场合，选择滤波器的类型，根据滤波要求选择滤波器的电路和性能指标，为了保证信号频率顺利通过滤波器，滤波器的截止频率应高于信号频率的上限。此外，还应正确选择滤波器的工作电压、电流、温度范围等。在使用信号线滤波器时，最重要的是保证滤波器有良好的接地，接地线应尽量短。滤波器外壳应与屏蔽体有良好的电接触，可以使用焊接方式或采用射频电磁密封衬垫。

9 p5 V; S. ?  ]6 z新研制的滤波器阵列板是将滤波器制成微形器件，并排列成阵列，能快速安装到电子产品的底板或隔断上，以实现密封或隔离。
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+ i2 D1 L. Y/ g: \4 N4 A2 S2. 电源线滤波器
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) z" }7 Y! k* f$ ?: T电源线是电磁干扰传入设备和传出设备的主要途径。为防止这两种情况的发生，必须在设备的电源接口安装电源线滤波器。它只允许电源频率通过，而高于电源频率的电磁干扰却受到很大的衰减。
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9 Y2 d8 H1 ^2 x, h9 a. P( l电源线上的干扰以两种形式出现，在火线、零线回路中的干扰为差模干扰，在火线、零线与地线回路中的干扰为共模干扰。虽然电源线滤波器对差模干扰和共模干扰都有抑制作用，但效果不一样，应分别给出两者的插入损耗。除了特别说明允许不接地的滤波器外，所有电源滤波器都必须接地，因为滤波器中的共模旁路电容只有接地时才起作用。

3 F  s* F* }2 b( _4 q使用电源滤波器时，应尽量靠近电源入口处安装，并使滤波器的输入/输出端之间屏蔽隔离，避免电磁干扰从输入端直接耦合到滤波器的输出端。此外，滤波器的接地点还应尽量靠近设备的接地点。电源线滤波器的技术指标包括：最大泄漏电流、耐压、额定工作频率、额定工作电压、额定工作电流和温度范围等。

电磁兼容性元器件是解决电磁干扰发射和电磁敏感度问题的关键，正确选择和使用这些元器件是做好电磁兼容性设计的前提。因此，我们必须深入掌握这些元器件，这样才有可能设计出符合标准要求、性能价格比最优的电子、电气产品。
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模拟与逻辑有源器件的选用
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电磁干扰发射和电磁敏感度的关键是模拟与逻辑有源器件的选用。必须注意有源器件固有的敏感特性和电磁发射特性。
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! E! X4 k$ |  C% p3 e7 H0 X& U  J9 |有源器件可分为调谐器件和基本频带器件。调谐器件起带通元件作用，其频率特性包括：中心频率、带宽、选择性和带外乱真响应;基本领带器件起低通元件作用，其频率特性包括：截止频率、通带特性、带外抑制特性和乱真响应。此外还有输入阻抗特性和输入端的平衡不平衡特性等。
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, s* O8 j; [* U& _7 W模拟器件的敏感度特性取决于灵敏度和带宽，而灵敏度以器件的固有噪声为基础。
逻辑器件的敏感度特性取决于直流噪声容限和噪声抗扰度。
有源器件有两种电磁发射源：传导干扰通过电源线、接地线和互连线进行传输，并随频率增加而增加;辐射干扰通过器件本身或通过互连线进行辐射，并随频率的平方而增加。瞬态地电流是传导干扰和辐射干扰的初始源，减少瞬态地电流必须减小接地阻抗和使用去耦电容。
1 p) \! `( p% X逻辑器件的翻转时间越短，所占频谱越宽。为此，应当在保证实现功能的前提下，尽可能增加信号的上升/下降时间。
* L, P! i9 b6 l1 D" }/ a, q" X数字电路是一种最常见的宽带干扰源，其电磁发射可分为差模和共模两种形式。
6 O# @+ O8 c6 I8 z% k" J为了减少发射，应尽可能降低频率和信号电平;为了控制差模辐射，必须将印制电路板上的信号线、电源线和它们的回线紧靠在一起，减小回路面积;为了控制共模辐射，可以使用栅网地线或接地平面，也可使用共模扼流圈。同时，选择“干净地”作为接地点也是十分重要的。
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铁氧体电磁干扰抑制元件
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2 l7 Z2 C3 M  D+ ?8 b铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为灰黑色。对于抑制电磁干扰用的铁氧体，最重要的性能参数为磁导率μ和饱和磁通密度Bs。磁导率μ可以表示为复数，实数部分构成电感，虚数部分代表损耗，随着频率的增加而增加。因此，它的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路，L和R都是频率的函数。例如磁导率为850的铁氧体，在10MHz时阻抗小于10Ω，而超过l00MHz后阻抗大于100Ω，使高频干扰大大衰减。这样，就构成了一个低通滤波器。低频时R很小，L起主要作用，电磁干扰被反射而受到抑制;高频时R增大，电磁干扰被吸收并转换成热能。
5 J2 p9 F4 D+ d铁氧体抑制元件广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上。例如在印制板的电源线入口端加上铁氧体抑制元件，就可以滤除高频干扰。铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰，它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。
不同的铁氧体抑制元件，有不同的最佳抑制频率范围。通常磁导率越高，抑制频率就越低。此外，铁氧体体积越大，抑制效果越好。在体积一定时，长而细的形状比短而粗的抑制效果好，内径越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情况下，还存在铁氧体饱和的问题，抑制元件横截面越大，越不易饱和，可承受的偏流越大。
7 W9 z$ W5 h6 U4 H5 {3 p$ ~铁氧体抑制元件应当安装在靠近干扰源的地方。对于输入/输出电路，则应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处。
安装时还应当注意，铁氧体元件易破碎，应采取可靠的固定措施。
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8 j& ^0 |- |2 ^: i: c3 R电磁屏蔽材料的选用

5 o! O9 A8 T; w; G( B具有较高导电、导磁特性的材料可以用作屏蔽材料。常用的有钢板、铝板、铝箔、铜板、铜箔等。也可以在塑料机箱上喷涂镍漆或铜漆的方法实现屏蔽。

屏蔽机箱的屏蔽效能除了与所选屏蔽材料的导电率、导磁率和厚度有关外，在很大程度上还依赖于机箱的结构，即其导电连续性。任何实用的屏蔽机箱上都有缝隙，这些缝隙是由于屏蔽板之间临时性搭接所造成的。由于缝隙的导电不连续性，在缝隙处会产生电磁泄漏。因此，对于永久性搭接，可以使用焊接的方法消除缝隙。如果使用铆接或螺钉连接，间距必须足够小。对于非永久性搭接，采用电磁密封衬垫等屏蔽材料则是十分有效的手段。

1.电磁密封衬垫
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电磁密封衬垫是一中弹性好、导电性高的材料。将这种材料填充在缝隙处，能保持导电连续性，是解决缝隙电磁泄漏的好方法。在选用电磁密封衬垫时，需要熟悉以下特性参数：
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5 Y  \" u- i# S. P  Z% B; M  N转移阻抗设衬垫和两侧屏蔽板的接合面上流过电流I，而两侧屏蔽板之间的电压为V，则转移阻抗定义为Zr=V/I。转移阻抗越低，则两侧屏蔽板之间的电磁泄漏越小，加衬垫后该缝隙的屏蔽效能越高。
  i- z# ]5 g; w$ z& V+ j! l, Y硬度衬垫的硬度应当适中，硬度太低，易造成接触不良，屏蔽效能较低;硬度太高，需要较大的压力，给结构设计造成困难。
8 y5 f; j: R, E; Y! }9 W% J2 B& l. j压缩永久形变衬垫只有在外力作用下发生一定的形变时，才有屏蔽作用。当外力去掉后，衬垫不会完全恢复到原来的形状，即发生了永久形变。当然，衬垫的压缩永久形变越小越好。
衬垫厚度衬垫的厚度应能满足接触面不平整度的要求，利用其弹性，将缝隙填充满，达到导电连续性的目的。

常用的电磁密封衬垫有以下几种类型：

0 Z# k  z/ V& {2 y0 i- B金属丝网衬垫用金属丝编织成的弹性网套，为纯金属接触，接触电阻低;但金属丝在高频时会呈现较大感抗，使屏蔽效能降低。所以只适用于l吉赫以下的频率范围。
# {) A% k' z* r9 R! k( \1 e橡胶芯编织网套将金属丝编织的网套套在发泡橡胶芯或硅橡胶芯上，具有很好的弹性和导电性。
导电橡胶衬垫在硅橡胶内填充金属颗粒或金属丝，构成导电的弹性物质。由于导电橡胶中的导电颗粒之间的容抗在高频时会降低，因此，填充金属颗粒在高频时屏蔽效能较高。如果填充方向一致的金属丝，还可以做到纯金属接触，但由于金属丝在高频时呈现较大感抗，使屏蔽效能降低，所以填充金属丝时只适用于低频。
+ ^: l  D! ?2 r+ Q3 V" B. W& F% s铍铜指形簧片利用被铜良好的导电性和弹性，可制成各种指形簧片。由于纯金属接触，直流电阻低，感抗又小，所以低频和高频时都具有较高的屏蔽效能。
- q/ V* i7 W9 M! j螺旋管衬垫用镀锡被铜或不锈钢做成的螺旋管，具有良好的弹性和导电性，是目前屏蔽效能最高的衬垫。
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( O! U- F- ^& z2.导电化合物
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+ F3 s7 S$ Q2 D4 ]# I0 b4 ]* ^导电化合物包括各种导电胶和各种导电填充物等。环氧导电胶可用于金属之间，金属与非金属之间，各种硬性表面之间的导电粘接。可代替焊锡，完成微波器件引线连接;可修复印制板线路，可用于导电陶瓷粘接，天线元件粘接，玻璃除霜粘接，导电/导热粘接，微波波导部件粘接等。硅脂导电胶用于将弹性的导电橡胶粘接固定在金属表面上，可应用于航天、航空、军用等电子设备中。导电填充物是一种高导电浆糊状材料，用于无法加装屏蔽衬垫的缝隙处，固化后仍保持弹性。
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# }: {; s4 I, ~1 ]) v- @1 F$ L. P3. 截止波导通风板
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! w9 _5 K' ?4 G3 b) K3 N屏蔽机箱的通风口及其它开口都是主要的电磁辐射源。采用开小孔或加金属丝网的方法都难以达到满意的屏蔽效能。理论证明，当金属管截面尺寸满足一定条件时，可以传输一定频率范围的电磁波，称为波导管。而波导管存在一个截止频率，当频率低于截止频率时，电磁波被截止而不能传输。根据这个原理可以设计成截止波导管。截止波导通风板由许多截止波导管依次排列组成，为了提高通风效率，每个截止波导管的截面都设计为六角形，故又称蜂窝状通风板。当屏蔽效能要求很高时，可用两块截止波导通风板构成双层通风板。而通风板材料的导电率是屏蔽效能的重要因素，采用高导电率材料或镀层的通风板可以得到高屏蔽效能。
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) {: L+ A- W$ w1 k: c4.导电玻璃和导电膜片
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显示屏或显示窗口既要满足视觉要求，又要满足防电磁辐射的要求，为此，可选用导电玻璃实现屏蔽。导电玻璃可用两块光学玻璃中间夹金属丝网构成，金属丝网密度越大，屏蔽效能就越高，但透光性变得越差。导电玻璃也可由光学玻璃或有机玻璃表面镀的金属薄膜构成。此外，还可在透明聚脂膜片上镀以金属薄膜，制成柔性透明导电膜片。这种膜片的透光性可达70%(80%，而且膜片很薄，仅0.13mm，可以直接贴覆在常规玻璃或有机玻璃表面，特别适用于要求高透明度和中等屏蔽效能的仪表表盘、液晶显示器、面板指示灯孔、彩色显示器等部位。
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EMC设计说容易也容易，说难也挺难，EMC设计抓住以下两点，元器件选对了和PCB设计好了，EMC就基本没什么大问题了。

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对于EMI信号，电感是高阻的，电容是低阻的，所以，电源EMI滤波器与源或负载的端接应遵循下列原则：
9 k, K: q# Z3 H! s; I- o% |3 |0 @( V/ R如果源内阻或负载是阻性或感性的，与之端接的滤波器接口就应该是容性的。
如果源内阻或负载是容性的，与之端接的滤波器接口就应该是感性的。