Filtercondensatoren, common-mode-spoelen en magnetische kralen worden veel gebruikt in EMC-ontwerpcircuits. Het zijn drie krachtige hulpmiddelen om elektromagnetische interferentie te elimineren.
Wat de rol van deze drie in het circuit betreft, zijn er volgens mij veel ingenieurs die dit niet begrijpen. Het artikel gaat over het ontwerp van een gedetailleerde analyse van het principe van het elimineren van de drie EMC-scherpste punten.
1. Filtercondensator
Hoewel de resonantie van de condensator ongewenst is vanuit het oogpunt van het filteren van hoogfrequente ruis, is de resonantie van de condensator niet altijd schadelijk.
Nadat de frequentie van het te filteren geluid is bepaald, kan de capaciteit van de condensator zo worden aangepast dat het resonantiepunt net op de storingsfrequentie valt.
In de praktijk van de techniek loopt de frequentie van de te filteren elektromagnetische ruis vaak op tot honderden MHz, of zelfs meer dan 1 GHz. Voor dergelijke hoogfrequente elektromagnetische ruis is het gebruik van een doorlopende kerncondensator noodzakelijk om deze effectief te filteren.
Er zijn twee redenen waarom gewone condensatoren hoogfrequente ruis niet effectief kunnen filteren:
(1) Eén reden is dat de inductie van de condensatorleiding resonantie van de condensator veroorzaakt, wat een grote impedantie aan het hoogfrequente signaal geeft en het bypass-effect van het hoogfrequente signaal verzwakt;
(2) Een andere reden is dat de parasitaire capaciteit tussen de draden het hoogfrequente signaal koppelt, waardoor het filtereffect wordt verminderd.
De reden waarom de doorlopende kerncondensator effectief hoogfrequente ruis kan filteren, is dat de doorlopende kerncondensator niet alleen niet het probleem heeft dat de inductie van de geleider ervoor zorgt dat de resonantiefrequentie van de condensator te laag is.
De doorlopende kerncondensator kan direct op het metalen paneel worden geïnstalleerd, waarbij het metalen paneel de rol van hoogfrequente isolatie vervult. Bij gebruik van een doorlopende kerncondensator is de installatie echter een probleem.
Het grootste nadeel van de doorlopende kerncondensator is de kans op hoge temperaturen en temperatuurschommelingen. Dit kan grote problemen opleveren bij het lassen van de doorlopende kerncondensator aan het metalen paneel.
Veel condensatoren raken beschadigd tijdens het lassen. Vooral wanneer er een groot aantal kerncondensatoren op het paneel moet worden geïnstalleerd, is het lastig om de schade te repareren. Verwijdering van de beschadigde condensator veroorzaakt namelijk schade aan andere condensatoren in de buurt.
2. Gemeenschappelijke modusinductie
Omdat de problemen die EMC ondervindt meestal te maken hebben met common-mode-interferentie, behoren common-mode-inductoren ook tot de krachtige componenten die wij veel gebruiken.
De common mode-inductor is een common mode-interferentieonderdrukkingsapparaat met ferriet als kern. Het apparaat bestaat uit twee spoelen van dezelfde grootte en hetzelfde aantal windingen die symmetrisch om dezelfde ferrietringmagneetkern zijn gewikkeld om een apparaat met vier aansluitingen te vormen. Het apparaat heeft een groot inductieonderdrukkingseffect voor het common mode-signaal en een kleine lekinductantie voor het differentiële mode-signaal.
Het principe is dat wanneer de common-modestroom vloeit, de magnetische flux in de magnetische ring elkaar overlapt, waardoor er een aanzienlijke inductie ontstaat die de common-modestroom remt. Wanneer de twee spoelen door de differentiële modusstroom vloeien, heffen de magnetische flux in de magnetische ring elkaar op en is er bijna geen inductie meer, zodat de differentiële modusstroom zonder verzwakking kan passeren.
Daarom kan de common-mode-inductor het common-mode-interferentiesignaal in de gebalanceerde lijn effectief onderdrukken, maar heeft geen effect op de normale transmissie van het differentiële-modesignaal.
Common mode-inductoren moeten bij de productie aan de volgende eisen voldoen:
(1) De draden die om de kern van de spoel zijn gewikkeld, moeten worden geïsoleerd om te garanderen dat er geen kortsluiting ontstaat tussen de windingen van de spoel onder invloed van een onmiddellijke overspanning;
(2) Wanneer de spoel door de onmiddellijke grote stroom stroomt, mag de magnetische kern niet verzadigd raken;
(3) De magnetische kern in de spoel moet geïsoleerd worden van de spoel zelf om doorslag tussen de twee te voorkomen onder invloed van een onmiddellijke overspanning;
(4) De spoel moet zoveel mogelijk in één enkele laag worden gewikkeld om de parasitaire capaciteit van de spoel te verminderen en het vermogen van de spoel om transiënte overspanning door te geven te verbeteren.
Onder normale omstandigheden geldt bij de selectie van de frequentieband die nodig is om te filteren: hoe groter de common-mode-impedantie, hoe beter. Daarom moeten we bij het selecteren van de common-mode-spoel naar de apparaatgegevens kijken, voornamelijk op basis van de impedantiefrequentiecurve.
Daarnaast moet u bij uw keuze letten op de invloed van de differentiële modus-impedantie op het signaal. Hierbij moet u zich met name richten op de differentiële modus-impedantie, met name bij snelle poorten.
3. Magnetische kraal
In het EMC-ontwerpproces van digitale productcircuits gebruiken we vaak magnetische kralen. Ferrietmateriaal is een ijzer-magnesiumlegering of een ijzer-nikkellegering. Dit materiaal heeft een hoge magnetische permeabiliteit en kan de inductor tussen de spoelwikkelingen vormen bij een hoge frequentie en een hoge weerstand met een minimale gegenereerde capaciteit.
Ferrietmaterialen worden meestal gebruikt bij hoge frequenties, omdat hun belangrijkste inductiekarakteristieken bij lage frequenties het verlies op de lijn zeer klein maken. Bij hoge frequenties zijn het voornamelijk reactantiekarakteristieken die met de frequentie veranderen. In praktische toepassingen worden ferrietmaterialen gebruikt als hoogfrequente verzwakkers voor radiofrequentiecircuits.
Feitelijk is ferriet een betere equivalent van de parallel van weerstand en inductie. De weerstand wordt bij lage frequenties door de inductor kortgesloten en de impedantie van de inductor wordt bij hoge frequenties vrij hoog, zodat alle stroom door de weerstand gaat.
Ferriet is een verbruikend apparaat waarin hoogfrequente energie wordt omgezet in warmte-energie, die wordt bepaald door de elektrische weerstandseigenschappen. Magnetische ferrietkorrels hebben betere hoogfrequente filtereigenschappen dan gewone inductoren.
Ferriet is resistief bij hoge frequenties, wat overeenkomt met een spoel met een zeer lage kwaliteitsfactor. Het kan daarom een hoge impedantie behouden over een groot frequentiebereik, waardoor de efficiëntie van hoogfrequente filtering wordt verbeterd.
In de lage frequentieband bestaat de impedantie uit inductie. Bij lage frequenties is R erg klein en is de magnetische permeabiliteit van de kern hoog, dus is de inductie groot. L speelt een belangrijke rol en elektromagnetische interferentie wordt onderdrukt door reflectie. Het verlies van de magnetische kern is op dit moment klein, het hele apparaat is een inductor met een laag verlies en hoge Q-karakteristieken. Deze inductor veroorzaakt gemakkelijk resonantie, dus in de lage frequentieband kan er soms verhoogde interferentie optreden na het gebruik van ferriet magnetische kralen.
In de hoge frequentieband bestaat de impedantie uit weerstandscomponenten. Naarmate de frequentie toeneemt, neemt de permeabiliteit van de magnetische kern af, wat resulteert in een afname van de inductantie van de spoel en een afname van de inductieve reactantiecomponent.
Op dit moment neemt echter het verlies van de magnetische kern toe, neemt de weerstandscomponent toe, wat resulteert in een toename van de totale impedantie, en wanneer het hoogfrequente signaal door het ferriet gaat, wordt de elektromagnetische interferentie geabsorbeerd en omgezet in de vorm van warmteafvoer.
Ferriet-onderdrukkingscomponenten worden veel gebruikt in printplaten, stroomkabels en datakabels. Zo wordt een ferriet-onderdrukkingselement toegevoegd aan de ingang van de stroomkabel van de printplaat om hoogfrequente interferentie te filteren.
Ferriet magnetische ringen of magnetische kralen worden speciaal gebruikt om hoogfrequente interferentie en piekinterferentie op signaal- en stroomkabels te onderdrukken en hebben ook het vermogen om interferentie door elektrostatische ontladingspulsen te absorberen. Het gebruik van magnetische kralen of chipinductoren hangt voornamelijk af van de praktische toepassing.
Chipinductoren worden gebruikt in resonantiecircuits. Wanneer onnodige EMI-ruis moet worden geëlimineerd, is het gebruik van chipmagnetische kralen de beste keuze.
Toepassing van chipmagneetkralen en chipinductoren
Chip-inductoren:Radiofrequentie (RF) en draadloze communicatie, apparatuur voor informatietechnologie, radardetectoren, auto-elektronica, mobiele telefoons, pagers, audioapparatuur, persoonlijke digitale assistenten (PDA's), draadloze afstandsbedieningssystemen en laagspanningsvoedingsmodules.
Chip magnetische kralen:Klokgenererende circuits, filtering tussen analoge en digitale circuits, interne I/O-invoer-/uitvoerconnectoren (zoals seriële poorten, parallelle poorten, toetsenborden, muizen, telecommunicatie over lange afstanden, lokale netwerken), RF-circuits en logische apparaten die gevoelig zijn voor interferentie, filtering van hoogfrequente geleide interferentie in voedingscircuits, computers, printers, videorecorders (VCRS), onderdrukking van EMI-ruis in televisiesystemen en mobiele telefoons.
De eenheid van de magnetische kraal is ohm, omdat de eenheid van de magnetische kraal nominaal is in overeenstemming met de impedantie die deze produceert bij een bepaalde frequentie. De eenheid van impedantie is ook ohm.
Het DATASHEET van de magnetische kraal geeft doorgaans de frequentie- en impedantiekarakteristieken van de curve weer, doorgaans 100 MHz als standaard, bijvoorbeeld wanneer de frequentie 100 MHz is en de impedantie van de magnetische kraal gelijk is aan 1000 ohm.
Voor de frequentieband die we willen filteren, moeten we kiezen voor een hogere impedantie van de magnetische kraal. Meestal kiezen we voor een impedantie van 600 ohm of meer.
Bovendien moet bij de keuze van magnetische kralen rekening worden gehouden met de flux van magnetische kralen. Deze moet doorgaans met 80% worden verlaagd. Ook moet rekening worden gehouden met de invloed van de DC-impedantie op de spanningsval bij gebruik in vermogenscircuits.
Plaatsingstijd: 24-07-2023
