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電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)的高頻思維,如何克服?
發(fā)布時(shí)間:2015-07-09 責(zé)任編輯:sherry
【導(dǎo)讀】許多資深工程師,常常走著基礎(chǔ)而又錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)之路。這就是電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)的高頻思維。對(duì)電子工程師來(lái)說(shuō),把電子器件都當(dāng)成一個(gè)高頻等效的組合電路才可設(shè)計(jì)出完美的EMC。
電磁兼容性(EMC)的問(wèn)題常發(fā)生于高頻狀態(tài)下,個(gè)別問(wèn)題(電壓跌落與瞬時(shí)中斷等)除外。高頻思維,就是器件的特性、電路的特性,在高頻情況下和常規(guī)中低頻狀態(tài)下是不一樣的,如果仍然按照普通的控制思維來(lái)判斷分析,則會(huì)走入設(shè)計(jì)的誤區(qū)。比如:電容,在中低頻或直流情況下,就是一個(gè)儲(chǔ)能組件,只表現(xiàn)為一個(gè)電容的特性;在高頻情況下,它就不僅僅是個(gè)電容了,它有一個(gè)理想電容的特性,有漏電流(在高頻等效電路上表現(xiàn)為R),有引線電感,還在導(dǎo)致電壓脈沖波動(dòng)情況下發(fā)熱的ESR(等效串聯(lián)電阻),(如下圖示)。
圖一:電磁兼容性(EMC)_電容的高頻等效電路圖
從上圖看出,設(shè)計(jì)師在電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)時(shí)能起到很大的幫助。
按照常規(guī)思路,1/2πfc是電容的容抗,應(yīng)該是頻率越高,容抗越小,濾波效果越好,即越高頻的雜波越容易被泄放掉,但事實(shí)并非如此,因?yàn)橐€電感的存在,一支電容僅僅在其1/2πfc=2πf L等式成立的時(shí)候,才是整體阻抗最小的時(shí)候,濾波效果才最好,頻率高了低了都會(huì)濾波效果下降,由此就可以分析出結(jié)論,為什么在IC的VCC端都會(huì)加兩支電容,一支電解的,一支瓷片的,并且容值一般相差100倍以上多一點(diǎn)。就是兩支不同的電容的諧振頻率點(diǎn)岔開(kāi)了一段距離,既利于對(duì)稍高頻的濾波,也利于對(duì)較低頻的濾波。
圖二:電磁兼容性(EMC)_導(dǎo)線的高頻等效電路圖
線纜或PCB布線的高頻等效特性(如上圖示),無(wú)論高低頻,走線電阻都是客觀存在,但對(duì)于走線電感,則只在較高頻時(shí)候才可以顯現(xiàn)得出來(lái)。另外就是還有一個(gè)分布電容的存在,但是,在導(dǎo)線附近沒(méi)有導(dǎo)體的時(shí)候,這個(gè)分布電容有也是白搭,必須要兩個(gè)導(dǎo)體才可以發(fā)揮的作用。
電感和電阻的特性比較容易理解,就不作說(shuō)明了。但磁環(huán)和磁珠的高頻等效特性卻不得不提一下,因?yàn)榇怒h(huán)對(duì)高頻脈動(dòng)的吸波作用,與電感的表現(xiàn)有點(diǎn)類(lèi)似,所以經(jīng)常被認(rèn)為是電感特性,但事實(shí)上錯(cuò)了。磁環(huán)是個(gè)電阻特性,不過(guò)這個(gè)電阻有點(diǎn)特別,它的阻值大小是頻率的函數(shù)R(f),如此的話,在一個(gè)帶有高頻波動(dòng)的信號(hào)穿過(guò)磁珠的時(shí)候,高頻波動(dòng)會(huì)因?yàn)镮2R的作用而發(fā)熱,將波動(dòng)干擾經(jīng)過(guò)電能——磁能——熱能的轉(zhuǎn)化過(guò)程,所以在導(dǎo)線上波動(dòng)比較強(qiáng)烈的時(shí)候,磁環(huán)摸起來(lái)會(huì)是溫的。
以上是電磁兼容性(EMC)專(zhuān)業(yè)中高頻思維的基礎(chǔ)知識(shí),了解電磁兼容性(EMC)方面的知識(shí)后,很多的設(shè)計(jì)問(wèn)題都知其答案了。比如:
1、IC的VCC端為何加裝兩只電容,一只電解電容,一只瓷片電容,是因?yàn)殡娙莸母哳l等效特性,引線電感和電容的串聯(lián)導(dǎo)致其綜合阻抗隨頻率而變化,而在WL= (1/WC)的頻率點(diǎn)上,是其阻抗最小的點(diǎn)(如下圖示)。而且兩個(gè)電容分別有自己的最小阻抗點(diǎn),分別對(duì)應(yīng)不同的頻率點(diǎn),以便于為IC不同頻率范圍的供電需求提供電流。
圖三:電磁兼容性(EMC)_IC退耦電容的阻抗-頻率特性圖
2、靜電工作臺(tái)的接地導(dǎo)線用寬的銅皮帶和金屬絲網(wǎng)蛇皮管,而不是黃綠的圓形接地線纜,圓形接地線纜的走線電感量偏大,不利于高頻靜電電荷的泄放。
3、線纜和線纜之間的間距不宜太近,否則會(huì)因?yàn)閷?dǎo)線分布電容的存在而導(dǎo)致信號(hào)線纜之間出現(xiàn)串?dāng)_,當(dāng)然,信號(hào)線對(duì)地線的耦合那又最好是近一點(diǎn),這樣,信號(hào)線上的波動(dòng)干擾可以方便的泄放到地線上去。
對(duì)電子工程師來(lái)說(shuō),把電子器件都當(dāng)成一個(gè)高頻等效的組合電路,則電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)將會(huì)更加完美。
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