片式電磁干擾對(duì)策元件的特性及其應(yīng)用2

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3、離不開它。隨著SMT型電路的廣泛應(yīng)用,近年來片式扼流圈飛速發(fā)展起來,成為現(xiàn)代電腦、移動(dòng)通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字音/像電子產(chǎn)品等中不可缺少的EMI抑制元件,具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。3.1扼流圈的基本特性    任何1個(gè)電感器都可以看作是1個(gè)扼流圈,因?yàn)槠渥杩闺S頻率的上升幾乎是線性地增加,從而可以抑制高頻噪聲。例如本文第一部份介紹過的鐵氧體磁珠就是這樣。然而在某些情況下，1個(gè)電感器或磁珠的阻抗特性滿足不了抑制噪聲的要求,于是人們?cè)O(shè)計(jì)制造了各種特征的扼流圈來滿足不同場(chǎng)合的需求。    眾所周知,線路中的電磁干擾電流可分為共模(Commonmode

4、)干擾和差模(Differentialmode)干擾兩種。共模干擾的干擾電流在電纜中的所有導(dǎo)線上流動(dòng)的方向是相同的,是在這些導(dǎo)線與“地”之間形成的回路中流動(dòng)的;而差模干擾的干擾電流則是在信號(hào)線與信號(hào)“地”線之間的回路中流動(dòng)的。圖8描述了這種情況。(a)差模噪聲                       (b)共模噪聲 圖8    共模干擾與差模干

5、擾的干擾電流圖     共模干擾一般是由來自外界或電路其它部份的干擾電磁波在電纜與“地”的回路中感應(yīng)產(chǎn)生的,有時(shí)由于電纜兩端部位的接“地”電位不同,也會(huì)產(chǎn)生共模干擾。它對(duì)電磁兼容的危害很大,一方面，共模干擾會(huì)使電纜線向外發(fā)射出強(qiáng)烈的電磁輻射,干擾電路的其它部份或周邊電子設(shè)備;另一方面,如果電路不平衡,在電纜中不同導(dǎo)線上的共模干擾電流的幅度、相位發(fā)生差異時(shí),共模干擾則會(huì)轉(zhuǎn)變成差模干擾,將嚴(yán)重影響正常信號(hào)的質(zhì)量,所以人們都在努力抑制共模干擾。    差模干擾主要是電路中其它部份產(chǎn)生的電磁干擾經(jīng)過傳導(dǎo)或耦合的途徑進(jìn)入信號(hào)線回路,如高次諧波、

6、自激振蕩、電網(wǎng)干擾等。由于差模干擾電流與正常的信號(hào)電流同時(shí)、同方向在回路中流動(dòng),所以它對(duì)信號(hào)的干擾是嚴(yán)重的,必須設(shè)法抑制。    綜上所述可知,為了達(dá)到電磁兼容的要求,對(duì)共模干擾和差模干擾都應(yīng)設(shè)法抑制。為了有效地抑制共模與差模干擾,人們?cè)O(shè)計(jì)制造了共模扼流圈、差模扼流圈和雙模(共模/差模)扼流圈。    圖9表示出共摸扼流圈的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。它是在1個(gè)磁芯上繞制兩個(gè)完全相同的線圈,但繞制方向相反。如圖9(a)所示,當(dāng)差模電流流過時(shí),兩個(gè)線圈所產(chǎn)生的磁力線方向相反,相互抵消,因而在大電流下磁芯也不致飽和,而且對(duì)差模信號(hào)的阻抗是很低的,

7、這一特征是很重要的;反之,當(dāng)共模電流流過時(shí),如圖9(b)所示,兩個(gè)線圈所產(chǎn)生的磁力線方向相同,相互疊加,所以對(duì)共模信號(hào)的阻抗相當(dāng)高,因而對(duì)共模干擾起到了有力的抑制作用。這就是說，1個(gè)共模扼流圈在有效地對(duì)共模干擾進(jìn)行抑制時(shí),對(duì)有用的信號(hào)(信號(hào)都是差模傳輸)影響卻很小,而且其阻抗隨頻率上升曲線的形態(tài)比較陡峭,即若將它看作1個(gè)低通濾波器時(shí),其形態(tài)因子(shapefactor)較高,因而即便是信號(hào)頻率與噪聲頻率相當(dāng)臨近甚至在相同頻帶時(shí),它仍然能夠很好地抑制共模噪聲,而對(duì)信號(hào)不產(chǎn)生明顯的影響，而且不易飽和。這些性能就是共模扼流圈的基本特征。 （a）差模電流情況   

8、0;               （b）共模電流情況 圖9      共模扼流圈的基本結(jié)構(gòu)     應(yīng)當(dāng)指出,上面所述的只是理想情況。實(shí)際上有差模電流時(shí),磁芯上繞制的兩個(gè)線圈所產(chǎn)生的磁力線在磁芯內(nèi)部不可能完全抵消,因而存在差模磁通,在大電流時(shí)仍會(huì)造成磁芯的飽和。所以，在使用共模扼流圈時(shí),應(yīng)將差模電流Id限制在N·Bmax·A/Ld以內(nèi),其中N為線圈匝數(shù),Bm

9、ax是磁芯所能承受的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度,A為磁芯截面積,Ld為差模電感(將兩個(gè)繞組串聯(lián)后測(cè)出的電感,見本文)。此外,在線圈的外部，空間磁力線發(fā)散出去,將造成輻射干擾,也是必須關(guān)注的問題。    差模扼流圈是在同1磁芯上繞制2個(gè)完全相同的線圈,繞制方向相同。這兩個(gè)線圈分別串接在信號(hào)線和信號(hào)“地”線上。從原理上講,差模扼流圈與采用2個(gè)單個(gè)的電感器的效果是一致的。但差模扼流圈僅使用1個(gè)磁芯,因而它與2個(gè)單個(gè)的電感器相比較,具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、使用方便、節(jié)省PCB面積和提高安裝速度的優(yōu)點(diǎn)。    雙模扼流圈(共模/差模扼流圈)是由1個(gè)共摸扼流圈

10、和1個(gè)差模扼流圈串聯(lián)而成,綜合了二者的特征。在某些情況,需要使用這種元件才能達(dá)到滿意的EMI抑制效果。本文后面將予以介紹。    本文第一部份中介紹過的磁珠在很多場(chǎng)合可以用來抑制共模干擾和差模干擾,而且體積小、價(jià)格低、使用方便,但它有不足之處,如其形態(tài)因子較小,因而當(dāng)信號(hào)頻率與噪聲頻率接近時(shí),磁珠在抑制噪聲的同時(shí)將對(duì)信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,造成信號(hào)的畸變;對(duì)共模電流和差模電流的抑制是相同的,沒有區(qū)別;另一不足之處是在大電流時(shí)容易達(dá)到飽和,特別是在疊加直流的情況下,磁珠不能很好地抑制噪聲。如上所述,為了更有效地抑制共模與差模干擾,人們?cè)O(shè)計(jì)制造了共模扼流圈、差模扼流圈和雙

11、模(共模/差模)扼流圈。近年來,世界各大電子元件公司(如日本的村田、TDK、太誘、我國(guó)的深圳南虹電子陶瓷公司等)已使這3種扼流圈成功地片式化,滿足了表面貼裝電路的需求。片式扼流圈成為EMI對(duì)策元件家族中的佼佼者,下面做些簡(jiǎn)要介紹。3.2片式扼流圈的分類及其應(yīng)用    國(guó)內(nèi)外一些電子元件廠家已經(jīng)采用精密陶瓷疊層技術(shù)、精密繞線技術(shù)、薄膜技術(shù)、低溫陶瓷共燒（LTCC）技術(shù)制造出各種性能優(yōu)良的微小型片式扼流圈,廣泛應(yīng)用在PC、NC、PDA、PHS、GSM、CDMA、GPS、WLAN、ADSL、USB、LVDS、MP3、DVD、DTV等電子產(chǎn)品中。簡(jiǎn)單片式扼流圈 

12、   如上所述,原則上可將1個(gè)普通的電感器看成是1個(gè)簡(jiǎn)單的扼流圈。本文第一部份介紹的片式電感器和磁珠就是1個(gè)簡(jiǎn)單片式扼流圈,在此不再重述。3.2.2片式共模扼流圈    片式共模扼流圈由2個(gè)方向相反的線圈耦合而成,其磁耦合系數(shù)不可能達(dá)到1.0,一般在0.95以上。因此,它既有共模阻抗也有差模阻抗。片式共模扼流圈的電路、測(cè)量方法及其典型阻抗特性曲線如圖10所示?？梢钥闯?其共模阻抗比差模阻抗高幾十倍。這樣,在有效地抑制共模噪聲的同時(shí)，對(duì)正常的差模信號(hào)不產(chǎn)生不利的影響。這種特性特別適合于噪聲的頻率與信號(hào)的頻率處于相近甚至相同的頻帶內(nèi)的特殊情況,在這

13、種情況下,其它的EMI抑制元件很難將噪聲與信號(hào)區(qū)別開來。這一特性是片式共模扼流圈的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),因而得到廣泛的應(yīng)用。 （a）典型阻抗特性曲線                （b）測(cè)量電路 圖10    片式共模扼流圈的電路和典型阻抗特性曲線     雖然片式共模扼流圈只含2個(gè)磁耦合線圈,但由于分布參數(shù)的影響及相互磁耦合,以致使片式共模扼流圈的實(shí)際等效電路比較復(fù)雜,圖11是TDK提供的片式共模

14、扼流圈的等效電路。 圖11    共模扼流圈的等效電路     日本的村田、TDK、太誘、TOKO及我國(guó)的深圳南虹等公司都開發(fā)了多種型號(hào)的片式共模扼流圈。日本村田公司采用先進(jìn)的鐵氧體/薄膜工藝技術(shù)制造出多種體積小、性能優(yōu)異的片式共模鐵氧體扼流圈。如DLP3216S型產(chǎn)品，尺寸為3.2mm×1.6mm×1.15mm，圖12是其外觀照片。這種共模扼流圈的耦合系數(shù)達(dá)到0.98以上,因而差模阻抗很小,一般在10以下,其阻抗特性曲線如圖13所示,圖中所標(biāo)型號(hào)為村田公司的產(chǎn)品型號(hào)，在100MHz時(shí),共模阻抗可高達(dá)550。所以特

15、別適用于高速數(shù)字電子產(chǎn)品(如計(jì)算機(jī)和外設(shè))中的高速信號(hào)線。    另一種DLP11S型號(hào)的共模扼流圈是為USB2.0開發(fā)的,體積僅為1.25mm×1.0mm×0.82mm,在100MHz時(shí),其共模阻抗分別為90、120、160、200,而差模阻抗均低于10,額定電流為130mA160mA,這種共模扼流圈非常適合于高速數(shù)據(jù)傳輸線,如USB2.0、IEEE1394、LVDS等。它可以有效地抑制共模噪聲而不致造成高速數(shù)據(jù)信號(hào)波形的畸變。 圖12    共模扼流圈的外觀 圖13鐵氧體-薄膜型片式共模扼流圈的阻抗特性曲線 &

16、#160;   用精密繞線技術(shù)在磁芯上繞制導(dǎo)線線圈制成的共模扼流圈具有高共模阻抗的特點(diǎn),其3216規(guī)格在100MHz時(shí)的共模阻抗可達(dá)2.2k。片式差模扼流圈    片式差模扼流圈可以看成是兩線的磁珠陣列,它們對(duì)噪聲的抑制作用是一樣的。根據(jù)布線情況,可以選用2線、4線或8線的陣列。本文第一部份已對(duì)片式磁珠陣列做過詳細(xì)介紹,在此不再贅述。3.2.4片式雙模(共模/差模)扼流圈    將1個(gè)共模扼流圈和1個(gè)差模扼流圈串聯(lián)在一起就是1個(gè)雙模(共模/差模)扼流圈,如圖14所示。它同時(shí)具有兩種扼流圈的特征,即同時(shí)具有高的共模阻

17、抗和差模阻抗。因而能夠同時(shí)抑制共模噪聲和差模噪聲。在某些情況下這是必須的,例如在PC、MD、CDROM、CATV、Fax等中都可能遇到這種情況。TDK生產(chǎn)的ACT3225型鐵氧體片式雙模(共模/差模)扼流圈具有代表性,其外形尺寸為3.2mm×2.5mm×2.3mm,阻抗特性曲線及測(cè)試方法如圖15所示。從圖中的曲線可以看出,在100MHz時(shí)的共模阻抗超過1k,差模阻抗也達(dá)到300。從曲線形狀看,在200MHz以下為共模扼流圈特征;在200MHz以上則類似于片式鐵氧體磁珠的特征,這與3.2.3節(jié)的論述是一致的。 圖14    雙模(共模/差模)扼流

18、圈的等效電路(b)共模測(cè)量電路    (a)阻抗特性曲線    (c)差模測(cè)量電路  圖15   片式雙模(共模/差模)扼流圈的阻抗特性曲線及測(cè)量電路 3.25片式3繞組共模扼流圈    在一些電子線路中,有時(shí)在1根纜線中有3條導(dǎo)線,都需要抑制共模噪聲和差模噪聲。為了適應(yīng)這種情況,一些廠家設(shè)計(jì)制造了片式3繞組共模扼流圈,圖16是其共模和差模阻抗的定義和檢測(cè)方法。TDK用鐵氧體材料制造的ACM4532型片式3繞組共模扼流圈在100MHz時(shí)的共模阻抗超過1k,差模阻抗約為200。

19、額定電流可達(dá)200mA,但體積較大。日本村田公司采用精密陶瓷疊層工藝制造出1種適合于音頻信號(hào)線的DLM2HG型片式3繞組共模扼流圈,其外觀與等效電路如圖17所示,其尺寸僅為2.5mm×2.0mm×1.2mm。圖18是其阻抗特性曲線。在100MHz時(shí)的差模阻抗可達(dá)2k,共模阻抗約為600,額定電流為100mA,直流電阻小于0.4。 (a)共模                    

20、;          (b)差模 圖16    片式三繞組扼流圈的阻抗檢測(cè)方法(a)外觀                                (b)等效電路 圖

21、17    片式疊層型三繞組共模扼流圈的外觀與等效電路圖18    片式疊層型3繞組共模扼流圈的阻抗特性曲線     眾所周知,近年來便攜式數(shù)字音影電子產(chǎn)品的市場(chǎng)巨大,如MP3、CDPLAYER等;手機(jī)、PDA、DVD、TV、Radio等的發(fā)展也十分迅速。在這些高速數(shù)字電子產(chǎn)品中,都有立體聲音頻信號(hào)線。圖19給出這種音頻信號(hào)線的結(jié)構(gòu)。它由左線L、右線R和“地線”GND3條導(dǎo)線并行構(gòu)成。在選擇EMI抑制元件時(shí),必須同時(shí)考慮抑制噪聲、聲音畸變、左右兩線之間的交擾(soundcrosstalk)等問題。音頻信號(hào)

22、的頻帶一般在20Hz20kHz,不會(huì)產(chǎn)生大的噪聲,問題在于高速數(shù)字電路卻是嚴(yán)重的干擾源,它產(chǎn)生的噪聲通過傳導(dǎo)和輻射進(jìn)入音頻信號(hào)線,差模噪聲在L和GND回路以及R和GND回路內(nèi)傳導(dǎo);共模噪聲在L、R、GND與參考“地”之間的“回路”傳導(dǎo)。這些噪聲一方面嚴(yán)重影響話音的質(zhì)量,一方面從耳機(jī)導(dǎo)線像天線一樣向周圍輻射，因而必須予以抑制。如果在L、R、GND3條導(dǎo)線上都串入1個(gè)磁珠,那么對(duì)于共模噪聲來說,相當(dāng)于3個(gè)磁珠并聯(lián),阻抗僅為1個(gè)磁珠的1/3，效果不佳;聲音的畸變往往是電路阻抗在音頻頻帶內(nèi)發(fā)生波動(dòng)引起的,一般的鐵氧體磁珠的阻抗在20kHz就開始上升,所以不利于話音的質(zhì)量;所謂音頻信號(hào)的交擾就是L回路的

23、信號(hào)串到R回路,或者相反。試驗(yàn)表明如果，選用的EMI抑制元件的阻抗在音頻頻段很低(在高頻噪聲頻段必須很高),而且保持穩(wěn)定,那么就不會(huì)引起交擾。此外,低直流電阻也是有益的。為了解決上述3個(gè)問題,片式磁珠不能很好地滿足要求,而采用DLM2HG型片式3繞組共模扼流圈卻能達(dá)到目的。在圖20中，將它與鐵氧體磁珠在音頻段的阻抗進(jìn)行了比較,可見這種片式3繞組共模扼流圈非常適合高速數(shù)字產(chǎn)品中的立體聲音頻線路。 圖19    立體聲音頻信號(hào)線結(jié)構(gòu)示意圖圖20    片式3繞組共模扼流圈與磁珠在音頻頻段的阻抗 3.2.6片式大電流共模扼流圈 &

24、#160;  在AC、DC電源以及DC/DC變換器等一些電子部件中,人們經(jīng)常加入共模扼流圈。這時(shí)，要求共模扼流圈能夠承受較大的電流。TDK的繞線型ACM系列的額定電流為1.0A6.0A。在100MHz時(shí)的共模阻抗為6001k。日本的TaiyoYuden等公司也有類似產(chǎn)品。    USB電纜內(nèi)包括4根導(dǎo)線,即電源線Vdd、地線GND、信號(hào)線D和D。高速數(shù)據(jù)在D和D中傳輸。為了抑制噪聲,在Vdd和GND上都串接1個(gè)磁珠,在D和D2線上接入1個(gè)共模扼流圈,抑制噪聲的效果很好。由于在某些情況下,經(jīng)常熱插拔(hotswapping)引起的浪涌電流可高達(dá)5A，同時(shí)在鼠標(biāo)的操作中,電流的起伏也近百毫安。在這種情況下選用共模扼流圈時(shí)，就要考慮它能承受的電流。3.2.7片式共模扼流圈陣列    圖21是片式共模扼流圈陣列的等效電路和外觀。一般是將2個(gè)共模扼流圈封裝在一起。TO