《電磁兼容原理與技術(shù)》課件第4章

第4章濾波技術(shù)

4.1電磁干擾濾波器4.2濾波器的分類及特性4.3常用濾波器元件習(xí)題4.1電磁干擾濾波器

濾波器的作用可以把不需要的電磁能量即電磁干擾減少到滿意的工作電平上,所以濾波器是抑制電磁干擾的重要方法之一,濾波器是防護(hù)傳導(dǎo)干擾的主要措施,如電源濾波器解決傳導(dǎo)干擾問(wèn)題。濾波器同時(shí)也是解決輻射干擾的重要武器,如抑制無(wú)線電干擾。在發(fā)射機(jī)的輸出端和接收機(jī)輸入端安裝相應(yīng)的電磁干擾濾波器,濾掉干擾的信號(hào),以達(dá)到兼容的目的。4.1.1電磁干擾濾波器的工作原理

電磁干擾濾波器的工作原理與普通濾波器一樣,它能允許有用信號(hào)的頻率分量通過(guò),同時(shí)又阻止其他干擾頻率分量通過(guò)。其工作方式有兩種:一種是不讓無(wú)用信號(hào)通過(guò),并把它們反射回信號(hào)源;另一種是把無(wú)用信號(hào)在濾波器里消耗掉。4.1.2電磁干擾濾波器的特殊性

由于電磁干擾濾波器的作用是抑制干擾信號(hào)的通過(guò),所以它與常規(guī)濾波器有很大的不同。

(1)電磁干擾濾波器應(yīng)該有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、安裝方便、工作可靠、重量輕、尺寸小及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

(2)電磁干擾濾波器對(duì)電磁干擾抑制的同時(shí),能在大電流和電壓下長(zhǎng)期工作,對(duì)有用信號(hào)消耗要小,以保證最大傳輸效率。

(3)由于電磁干擾的頻率是20Hz到幾十吉赫茲,故難以用集中參數(shù)等效電路來(lái)模擬濾波電路。

(4)要求電磁干擾濾波器在工作頻率范圍內(nèi)有比較高的衰減性能。

(5)干擾源的電平變化幅度大,有可能使電磁干擾濾波器出現(xiàn)飽和效應(yīng)。

(6)電源系統(tǒng)的阻抗值與干擾源的阻抗值變化范圍大,很難得到使用穩(wěn)定的恒定值,所以電磁干擾濾波器很難工作在阻抗匹配的條件下。4.1.3濾波器的插入損耗描述濾波器性能的最主要參量是插入損耗,插入損耗的大小隨工作頻率不同而改變。插入損耗的定義是

(4-1)

式中:V1——信號(hào)源通過(guò)濾波器在負(fù)載阻抗上建立的電壓(V);

V2——不接濾波器時(shí)信號(hào)源在同一負(fù)載阻抗上建立的電壓(V);

Lm——插入損耗(dB)。頻率特性是指插入損耗隨頻率變化的曲線。濾波器的頻率特性必須達(dá)到設(shè)計(jì)的要求,為此目的,和濾波器連接的負(fù)載阻抗值以及連接的信號(hào)源阻抗值也必須符合設(shè)計(jì)要求。另外,濾波器還必須有足夠高的額定電壓,以保證能經(jīng)受浪涌或脈沖干擾的惡劣電磁環(huán)境。4.2濾波器的分類及特性4.2.1反射式濾波器反射式濾波器是指由電感器和電容器組成的,能阻止無(wú)用信號(hào)通過(guò),并把它們反射回信號(hào)源的濾波器。其種類有四種:低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。每種濾波器的衰減特性如圖4-1所示。圖4-1反射式濾波器的衰減特性

1.低通濾波器低通濾波器是指低頻通過(guò)、高頻衰減的一種濾波器。它是電磁干擾技術(shù)中應(yīng)用最多的一種濾波器。常用于直流或者交流電源線路,對(duì)高于市電的頻率進(jìn)行衰減;用于放大器電路和發(fā)射機(jī)輸出電路,讓基波信號(hào)通過(guò),而諧波和其他亂真信號(hào)受到衰減;艦船電網(wǎng)里均采用低通濾波器。所以低通濾波器成為我們討論的重點(diǎn)。

(1)并聯(lián)電容低通濾波器。如圖4-2所示,如果源阻抗和負(fù)載阻抗相等,則插入損耗為

(4-2)F=πfRC式中:Lin——插入損耗(dB);

f——工作頻率(Hz);

R——源或者負(fù)載阻抗(Ω);

C——濾波電容(F)。

(2)串聯(lián)電感低通濾波器。如圖4-3所示,源阻抗和負(fù)載阻抗相等時(shí),插入損耗為

(4-3)

式中:Lin——插入損耗(dB);

L——濾波電感(H)。圖4-2并聯(lián)電容低通濾波器圖4-3串聯(lián)電感低通濾波器

(3)L型低通濾波器。單一元件的濾波器的缺點(diǎn)是帶外衰落速率只有6dB／倍頻程,把單個(gè)串聯(lián)電感和并聯(lián)電容組合形成一個(gè)L型結(jié)構(gòu)的濾波器,則得到12dB／倍頻程。如果源阻抗和負(fù)載阻抗相等,則濾波器的插入損耗與插入線路中的方向無(wú)關(guān)。L型低通濾波器的電路結(jié)構(gòu)如圖4-4所示。(4-4)式中:Lin——插入損耗(dB);

f0——截止頻率(Hz)。圖4-4L型低通濾波器

(4)π型濾波器。π型低通濾波器的線路如圖4-5所示。在寬波段內(nèi)具有高的插入損耗,體積也較適中。當(dāng)源阻抗與負(fù)載阻抗都為R時(shí),其插入損耗為(4-5)

式中:Lin——插入損耗(dB);

f0——截止頻率(Hz)。圖4-5π型低通濾波器

(5)T型低通濾波器。T型低通濾波器的線路如圖4-6所示。當(dāng)源阻抗和負(fù)載阻抗均為R時(shí),插入損耗為(4-6)式中:Lin——插入損耗(dB);

f0——截止頻率(Hz)。低通濾波器的插入損耗曲線如圖4-7所示。其阻尼因子有三種情況:d<1,d=1,d>1。當(dāng)d=1時(shí),為最佳阻尼,是理想的頻響曲線,衰減比較平坦。圖4-6T型低通濾波器圖4-7濾波器損耗曲線圖

2.高通濾波器在降低電磁干擾上,高通濾波器雖不如低通濾波器應(yīng)用廣泛,但也有用途。特別是這種濾波器一直被用于從信號(hào)通道上濾除交流電流頻率或抑制特定的低頻外界信號(hào)。設(shè)計(jì)高通濾波器時(shí),均采用倒轉(zhuǎn)方法,凡滿足倒轉(zhuǎn)原則的低通濾波器可以很方便地變成所需要的高通濾波器。倒轉(zhuǎn)原則就是將低通濾波器的每一個(gè)線圈換成一個(gè)電容器,而每一個(gè)電容器換成一個(gè)線圈,就可變成高通濾波器。這一方法的根據(jù)是電感器與電容器互為可逆元件,使2πfaL=1/(2πfbC),即在已知支路中頻率為fa的電感器L

的阻抗值與頻率為fb的電容器的阻抗相等,而使LC=10－12。結(jié)果是高通濾波器在頻率為fb的衰減與低通濾波器在頻率為fb的衰減相等,則

例如,低通濾波器如圖4-8所示,若低通濾波器的截止頻率為10kHz,則高通濾波器的截止頻率約為2.5MHz。圖4-8低通轉(zhuǎn)換成高通濾波器圖

3.帶通濾波器帶通濾波器是對(duì)通帶之外的高頻及低頻干擾能量進(jìn)行衰減,其基本構(gòu)成方法是由低通濾波器經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換而成為帶通濾波器。帶通濾波器電路結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。帶通濾波器并接于干擾線和地之間,以消除電磁干擾信號(hào),達(dá)到兼容的目的。圖4-9帶通濾波器的電路結(jié)構(gòu)

4.帶阻濾波器帶阻濾波器是指用于對(duì)特定窄頻帶(在此頻帶內(nèi)可能產(chǎn)生電磁干擾)內(nèi)的能量進(jìn)行衰減的一種濾波器,帶阻濾波器通常是串聯(lián)于干擾源與干擾對(duì)象之間,帶阻濾波器結(jié)構(gòu)如圖4-10所示。圖4-10帶阻濾波器電路結(jié)構(gòu)(a)在諧振頻率上給出高阻抗;(b)在諧振頻率上給出低阻抗(這兩種電路的邊緣下降為6dB/倍頻程,因而對(duì)負(fù)載、對(duì)電源不能提供良好的匹配);(c)和(d)在L、π或T型電路結(jié)構(gòu)中使用并聯(lián)或串聯(lián)調(diào)諧元件,可以改善帶阻的性能;(e)雙T陷波濾波器作為帶阻濾波器(在低頻時(shí),即1MHz以下,Q值為100的數(shù)量級(jí)。但在高頻時(shí)效用降低)反射式濾波器的各種濾波器的應(yīng)用選擇,由濾波器形式、干擾源阻抗和干擾對(duì)象阻抗(負(fù)載阻抗)之間的組合關(guān)系確定。使用電源干擾抑制濾波器時(shí),遵循輸入端、輸出端最大限度失配的原則,以求獲得最佳抑制效果,如表4-1所示。當(dāng)源阻抗和負(fù)載阻抗都比較小時(shí),應(yīng)選用T型或者串聯(lián)電感型濾波器;當(dāng)源阻抗和負(fù)載阻抗都比較大時(shí),應(yīng)選用π型濾波器或者并聯(lián)電容濾波器;當(dāng)源阻抗和負(fù)載阻抗相差較大時(shí),應(yīng)選用L型濾波器。表4-1濾波器的應(yīng)用選擇4.2.2吸收式濾波器吸收式濾波器是由有耗元件構(gòu)成的,它通過(guò)吸收不需要頻率成分的能量(轉(zhuǎn)化為熱能)來(lái)達(dá)到抑制干擾的目的。盡管一些濾波器的輸入/輸出阻抗可指望在一個(gè)相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)與指定的源和負(fù)載阻抗相匹配,但在實(shí)際情況中這種匹配往往不存在。例如,電源濾波器幾乎不能實(shí)現(xiàn)與其連續(xù)的電源線阻抗相匹配。另一個(gè)例子是發(fā)射機(jī)諧波濾波器的設(shè)計(jì),一般是使其在基頻上與發(fā)射機(jī)的輸出阻抗相匹配,而不一定在它的諧波頻率上匹配。正因?yàn)榇嬖谶@種失配,所以很多時(shí)候當(dāng)把一個(gè)濾波器插入傳輸干擾的線路時(shí),實(shí)際上在線路上將形成干擾電壓的增加而不是減小。這個(gè)缺陷存在于所有低損耗元件構(gòu)成的濾波器中,這正是反射濾波器的缺點(diǎn)。因?yàn)?當(dāng)濾波器和源阻抗不匹配時(shí),一部分有用能量將被反射回能源,這將導(dǎo)致干擾電平的增加而不是減小,因而促使了吸收濾波器的產(chǎn)生,即用吸收濾波器來(lái)抑制不需要的能量(使之轉(zhuǎn)化為熱耗)。

1.有損耗濾波器

為了消除LC型低通濾波器的頻率諧振和要求終端負(fù)載阻抗匹配的弊端,使電磁干擾濾波器能在較寬的頻率范圍里具有較大的衰減。人們根據(jù)介電損耗和磁損耗原理研究出一種損耗濾波器。其基本原理是選用具有高損耗系數(shù)或高損耗角正切的電介質(zhì),把高頻電磁能量轉(zhuǎn)換成熱能。在50Ω測(cè)試系統(tǒng)里,具有高損耗系數(shù)的電介質(zhì)的截止頻率大于10MHz。有一種具有電氣密封的損耗石墨,截止頻率可達(dá)到10GHz。實(shí)際使用中是將鐵氧體一類物質(zhì)制成柔軟的磁管,可以在絕緣或非絕緣的導(dǎo)體上滑動(dòng),這種磁管稱為電磁干擾抑制管。柔軟性磁管的磁導(dǎo)率與磁環(huán)和磁條相比要低一些。圖4-11表示鐵氧體低通濾波器的損耗特性。圖4-11鐵氧體低通濾波器的損耗特性由于磁管沒(méi)有飽和特性和諧波特性,所以可以使用在0以上的頻率范圍內(nèi)。電磁干擾抑制管的工作原理類似于磁環(huán)或磁條,在10MHz附近有一個(gè)等效的磁導(dǎo)率,這就增加了被抑制導(dǎo)線的電感量,如圖4-12所示。在低頻上,電磁干擾抑制管也適于跟具有金屬化屏蔽層的電容器一起使用。當(dāng)電磁干擾抑制管當(dāng)作低通濾波器使用,并應(yīng)用在電源匯流條時(shí),磁管材料對(duì)任何直流、50Hz、400Hz電源線電流均不會(huì)產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。圖4-12電磁干擾抑制管等效原理圖R—導(dǎo)磁性材料損耗;L—附加串聯(lián)電感電磁干擾抑制管可以套在標(biāo)準(zhǔn)電纜或電線上屏蔽低頻電場(chǎng)或磁場(chǎng),不會(huì)引起直流或電源頻率損耗。其典型特性如圖4-13所示。圖4-13電磁干擾抑制管的典型特性在高頻范圍里應(yīng)用鐵氧體磁環(huán)來(lái)抑制電磁干擾,它可以等效為電感線圈、電阻與電容并聯(lián)的電路。它的感抗和阻抗均為頻率的函數(shù)。圖4-14表示鐵氧體磁環(huán)阻抗和感抗的特性曲線。圖4-14鐵氧體環(huán)阻抗和感抗特性曲線鐵氧體阻抗一般由下式?jīng)Q定:

損耗角的正切值為

式中:R——磁環(huán)的等效電阻(Ω);

i——磁環(huán)的長(zhǎng)度(mm);

μ′——磁導(dǎo)率的實(shí)部;

μ″——磁導(dǎo)率的虛部。鐵氧體高頻損耗能量主要正比于μ′,故應(yīng)選擇μ′或tanα比較大的材料。若單個(gè)磁環(huán)阻抗已知,則幾個(gè)磁環(huán)阻抗為nZf,按圖4-15等效電路圖計(jì)算插入衰減:(4-7)

式中:nZf——幾個(gè)磁環(huán)阻抗(Ω);

ZS——磁環(huán)電源邊阻抗(Ω);

Zl——磁環(huán)負(fù)載邊阻抗(Ω)。圖4-15衰減量等效電路圖

2.有源濾波器用無(wú)源元件制造的電磁干擾濾波器有時(shí)龐大而笨重,使用晶體管的有源濾波器可以不需要過(guò)大的體積和重量就能提供較大值的等效L和C。對(duì)低頻低阻抗電源電路用有源濾波器更為合適,此濾波器的特點(diǎn)是尺寸小,重量輕,功率大,有效抑制頻帶寬度。這種濾波器通常有三種類型,如圖4-16所示。圖4-16有源電磁干擾濾波器

(1)模擬電感線圈的頻率特性,給干擾信號(hào)一個(gè)高阻抗電路,稱做有源電感濾波器。

(2)模擬電容器的頻率特性,將干擾信號(hào)短路到地,稱做有源電容濾波器。

(3)一種能產(chǎn)生與干擾電源幅值同樣大小、方向相反的電流,通過(guò)高增益反饋電路將電磁干擾對(duì)消掉的電路稱作對(duì)消濾波器。在交流電源線中,采用對(duì)消干擾技術(shù)是最有效的方法。對(duì)消濾波器具有很高的效能,通過(guò)自動(dòng)調(diào)諧器把濾波器的頻率調(diào)到電源頻率上,使濾波器僅能通過(guò)電源頻率的信號(hào)。即使負(fù)載和源阻抗很低(1Ω以下)時(shí),也可得到30dB的衰減值。若要得到更高的衰減值時(shí),可將濾波器進(jìn)行聯(lián)級(jí)。

3.電纜濾波器電纜濾波器就是將具有一定磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率的柔軟性鐵氧體磁芯包在載流線上,然后在磁芯上再密結(jié)一層磁導(dǎo)線,用來(lái)增加正常的集膚效應(yīng),提高對(duì)高頻干擾的吸收作用。外面再加一層高壓絕緣,就成了電纜濾波器。4.2.3電源線濾波器設(shè)計(jì)示例

電源線上呈現(xiàn)的干擾可分為共模及差模兩種。這些干擾見(jiàn)圖4-17(a),其中Ic及Id分別為共模電流及差模電流。如圖4-17(b)所示,插在電源線進(jìn)入點(diǎn)的電源線電磁干擾濾波器旨在保證電源線上攜帶的干擾不進(jìn)入需由電源線饋電的設(shè)備,反之設(shè)備上的干擾也不會(huì)進(jìn)入電源線。大量現(xiàn)代設(shè)備及數(shù)字電路均由開(kāi)關(guān)式電源進(jìn)行饋電,這類電源會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲,這時(shí)必須保證這種射頻噪聲不要注入電源線。圖4-17電源線電磁干擾濾波器電源線電磁干擾濾波器的一種常用結(jié)構(gòu)如圖4-17(c)所示。此處Cx及Cy為線對(duì)線電容器及線對(duì)地電容器,L1為繞在共同芯子上有相等繞組的兩個(gè)電感器,L2為繞在分開(kāi)的芯子上的兩個(gè)分開(kāi)的電感器,Lg則為任意的接地扼流圈。當(dāng)直流地要與射頻地保持分離狀態(tài)時(shí)需用接地扼流圈。連在濾波器電路內(nèi)的兩個(gè)電感器L1的極性應(yīng)使電源(線)電流I1在兩個(gè)電感器內(nèi)反向流動(dòng),因此不會(huì)被衰減。與此類似,由于極性關(guān)系差模電流Id也不會(huì)被衰減。另一方面,在兩個(gè)電感中的共模電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同相的。因此電流會(huì)被衰減。而且由于兩條線中通過(guò)的共模電流Ic是恒等的,因此電容器Cx對(duì)它們不會(huì)產(chǎn)生任何影響。根據(jù)這種考慮,共模與差模電磁干擾電流的有效等效電路可表示為圖4-17(d)及4-17(e)。電感Ll為共模電感L1的泄漏電感,因?yàn)長(zhǎng)1兩個(gè)電感間無(wú)耦合所以不能相消。電容器Cx具有0.1～0.5μF的較高數(shù)值,而Cy值在0.001～0.01μF范圍內(nèi)。電源線濾波器基本是低通濾波器,理想狀況對(duì)電源線頻率(50／60Hz)應(yīng)不呈現(xiàn)衰減,但對(duì)10kHz～30

MHz頻率范圍的射頻噪聲則要產(chǎn)生衰減。在某個(gè)試驗(yàn)電源線濾波器中Cx=0.22μF,Cy=0.0022μF,L1=110μH,L2=315μH,該濾波器測(cè)得的性能見(jiàn)圖4-17(f)。濾波器呈現(xiàn)低通特性,在10MHz附近對(duì)共模干擾出現(xiàn)最大衰減,而約在20MHz時(shí)對(duì)差模干擾出現(xiàn)最大衰減。在頻率高達(dá)100MHz時(shí)對(duì)兩種干擾都呈現(xiàn)40dB的最低衰減。4.3常用濾波器元件4.3.1電容器電容器是電路中最基本的元件之一,利用電容濾除電路上的高頻騷擾和對(duì)電源解耦是所有電路設(shè)計(jì)人員都熟悉的。但是,隨著電磁干擾問(wèn)題的日益突出,特別是干擾頻率的日益提高,由于不了解電容的基本特性而達(dá)不到預(yù)期濾波效果的事情時(shí)有發(fā)生。下面將介紹一些容易被忽略的影響電容濾波性能的參數(shù),以及使用電容器抑制電磁干擾時(shí)需要注意的事項(xiàng)。

1.實(shí)際電容器的特性電容器是基本的濾波器件,在低通濾波器中作為旁路器件使用。利用它的阻抗隨頻率升高而降低的特性,起到對(duì)高頻干擾旁路的作用。但是,在實(shí)際使用中一定要注意電容器的非理想性。

(1)實(shí)際電容器的等效電路。實(shí)際電容器的電路模型如圖4-18所示,它是由等效電感(ESL)、電容(C)和等效電阻(ESR)構(gòu)成的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。電感分量是由引線和電容結(jié)構(gòu)所決定的,電阻是介質(zhì)材料所固有的。電感分量是影響電容頻率特性的主要指標(biāo),因此,在分析實(shí)際電容器的旁路作用時(shí),用LC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來(lái)等效。圖4-18實(shí)際電容器的等效電路

(2)對(duì)濾波特性的影響。實(shí)際電容器的特性如圖4-19所示,當(dāng)角頻率為1/LC時(shí),會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振,這時(shí)電容的阻抗最小,旁路效果最好。超過(guò)諧振點(diǎn)后,電容器的阻抗特性呈現(xiàn)電感阻抗的特性——隨頻率的升高而增加,旁路效果開(kāi)始變差。這時(shí),作為旁路器件使用的電容器就開(kāi)始失去旁路作用。圖4-19實(shí)際電容器的頻率特性理想電容的阻抗隨著頻率的升高而降低,而實(shí)際電容的阻抗具有如圖4-19所示的頻率特性,在頻率較低時(shí),呈現(xiàn)電容特性,即阻抗隨頻率的增加而降低,在某一點(diǎn)發(fā)生諧振,在這點(diǎn)電容的阻抗等于等效串聯(lián)電阻ESR。在諧振點(diǎn)以上,由于ESL的作用,電容阻抗隨著頻率的升高而增加,這是電容呈現(xiàn)電感的阻抗特性。在諧振點(diǎn)以上,由于電容的阻抗增加,因此對(duì)高頻噪聲的旁路作用減弱,甚至消失。電容的諧振頻率由ESL和C共同決定,電容值或電感值越大,則諧振頻率越低,也就是電容的高頻濾波效果越差。ESL除了與電容器的種類有關(guān)外,電容的引線長(zhǎng)度是一個(gè)十分重要的參數(shù),引線越長(zhǎng),則電感越大,電容的諧振頻率越低。因此在實(shí)際工程中,要使電容器的引線盡量短,電容器的正確安裝方法和不正確安裝方法如圖4-20所示。圖4-20濾波電容器的正確安裝方法與錯(cuò)誤安裝方法根據(jù)LC電路串聯(lián)諧振的原理,諧振點(diǎn)不僅與電感有關(guān),還與電容有關(guān),電容越大,諧振點(diǎn)越低。許多人認(rèn)為電容器的容值越大,濾波效果越好,這是一種誤解。電容越大對(duì)低頻干擾的旁路效果雖然好,但是由于電容在較低的頻率發(fā)生了諧振,阻抗開(kāi)始隨頻率的升高而增加,因此對(duì)高頻噪聲的旁路效果變差。表4-2是不同容量瓷片電容器的自諧振頻率,電容的引線長(zhǎng)度是1.6mm。表4-2不同容量瓷片電容器的自諧振頻率盡管從濾除高頻噪聲的角度看,不希望有電容諧振,但是電容的諧振并不總是有害的。當(dāng)要濾除的噪聲頻率確定時(shí),可以通過(guò)調(diào)整電容的容量,使諧振點(diǎn)剛好落在騷擾頻率上。電磁兼容設(shè)計(jì)中使用的電容要求諧振頻率盡量高,這樣才能夠在較寬的頻率范圍(10kHz～1GHz)內(nèi)起到有效的濾波作用。提高諧振頻率的方法有兩個(gè),一個(gè)是盡量縮短引線的長(zhǎng)度;另一個(gè)是選用電感較小的材料,從這個(gè)角度考慮,陶瓷電容是最理想的一種電容。

(3)溫度的影響。由于電容器中的介質(zhì)參數(shù)受到溫度變化的影響,因此電器的電容值也隨著溫度變化。不同的介質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律不同,有些電容器的容量當(dāng)溫度升高時(shí)會(huì)減小70％以上,常用的濾波電容為瓷介質(zhì)電容,瓷介質(zhì)電容器有超穩(wěn)定型:COG或NPO,穩(wěn)定型:X7R,和通用型:Y5V或Z5U共三種。不同介質(zhì)的電容器的溫度特性如圖4-21所示。圖4-21不同介質(zhì)電容器的溫度特性從圖4-21中可以看到,COG電容器的容量幾乎隨溫度沒(méi)有變化,X7R電容器的容量在額定工作溫度范圍變化12％以下,Y5V電容器的容量在額定工作溫度范圍內(nèi)變化70％以上。這些特性是必須注意的,否則會(huì)出現(xiàn)濾波器在高溫或低溫時(shí)性能變化而導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生電磁兼容問(wèn)題。

COG介質(zhì)雖然穩(wěn)定,但介質(zhì)常數(shù)較低,一般在10～100范圍內(nèi),因此當(dāng)體積較小時(shí),容量較小。X7R的介質(zhì)常數(shù)高得多,為2000～4000,因此較小的體積能產(chǎn)生較大的電容,Y5V的介質(zhì)常數(shù)最高,為5000～25000。圖4-22電容器的電壓特性許多人在選用電容器時(shí),片面追求電容器的體積小,這種電容器的介質(zhì)雖然具有較高的介質(zhì)常數(shù),但溫度穩(wěn)定性很差,從而導(dǎo)致設(shè)備的溫度特性變差。這在選用電容器時(shí)要特別注意,尤其是在軍用設(shè)備中。

(4)電壓的影響。電容器的電容量不僅隨著溫度變化,還會(huì)隨著工作電壓的變化而變化,這一點(diǎn)在實(shí)際工程中必須注意。不同介質(zhì)材料的電容器的電壓特性如圖4-22所示。從圖中可以看出,X7R電容器在額定電壓狀態(tài)下,其容量降為原始值的70％,而Y5V電容器的容量降為原始值的30％。了解了這個(gè)特性,在選用電容時(shí)要在電壓或電容量上留出余量,否則在額定工作電壓狀態(tài)下,濾波器會(huì)達(dá)不到預(yù)期的效果。當(dāng)綜合考慮溫度和電壓的影響時(shí),電容器的變化如圖4-23所示。圖4-23電容器的溫度/電壓特性

2.電容器的主要參數(shù)

(1)標(biāo)稱容量及允許誤差。電容器的外殼表面上標(biāo)出的電容量值稱為電容器的標(biāo)稱容量。標(biāo)稱容量與實(shí)際容量之間的偏差與標(biāo)稱容量之比的百分?jǐn)?shù)稱為電容器的允許誤差。常用電容器的允許誤差有±0.5％、±1％、±2％、±5％、±10％和±20％。

(2)工作電壓。電容器在使用時(shí),允許加在其兩端的最大電壓值稱為工作電壓,也稱耐壓或額定工作電壓。使用時(shí),外加電壓最大值一定要小于電容器的額定工作電壓,通常外加電壓應(yīng)在額定工作電壓的2/3以下。

(3)絕緣電阻。電容器的絕緣電阻表征電容器的漏電性能,在數(shù)值上等于加在電容器兩端的電壓除以漏電流。絕緣電阻越大,漏電流越小,電容器質(zhì)量越好。品質(zhì)優(yōu)良的電容器具有較高的絕緣電阻,一般在兆歐級(jí)以上。電解電容器的絕緣電阻一般較低,漏電流較大。

3.電容器的標(biāo)注方法電容器的型號(hào)一般由四部分組成。第一部分:主稱(用字母C表示);第二部分:材料(用字母表示),例如:Z——紙介,Y——云母,C——瓷介,B——聚苯乙烯,L——滌綸,D——鋁(電解),A——鉭(電解);第三部分:分類(一般用數(shù)字表示,個(gè)別類型用字母表示);例如:電容器(云母、有機(jī))1,2——非密封,3,4——密封;第四部分:序號(hào)(用數(shù)字表示)。電容器的基本單位是法拉(F),這個(gè)單位太大,常用的單位是微法(μF)、納法(nF)、皮法(pF),1F=103mF=106μF=109nF=1012pF。電容器的容量、誤差和耐壓都標(biāo)注在電容器的外殼上,其標(biāo)注方法有直標(biāo)法、文字符號(hào)法、數(shù)字法和色標(biāo)法。

(1)直標(biāo)法。直標(biāo)法是將容量、偏差、耐壓等參數(shù)直接標(biāo)注在電容體上,常用于電解電容器參數(shù)的標(biāo)注。

(2)文字符號(hào)法。使用文字符號(hào)法時(shí),容量的整數(shù)部分寫(xiě)在容量單位符號(hào)的前面,容量的小數(shù)部分寫(xiě)在容量單位符號(hào)的后面,例如,2.2pF記作2p2,4700pF等于4.7nF,可記作4n7。允許誤差,D表示±0.5％,F表示±1％,G表示±2％,J表示±5％,K表示±10％,M表示±20％。

(3)數(shù)字法。在一些瓷片電容器上,常用三位數(shù)字表示標(biāo)稱電容,單位為pF。三位數(shù)字中,前兩位表示有效數(shù)字,第三位表示倍率,即表示有效值后面“0”的個(gè)數(shù)。例如,電容器標(biāo)出為103,表示其容量為10×103pF=10000pF=0.01μF;電容器標(biāo)出為682J,表示其容量為68×102pF=6800pF,允許誤差為±5％。

(4)色標(biāo)法。這種表示方法與電阻器的色環(huán)表示方法類似,其顏色所代表的數(shù)字與電阻器的色環(huán)完全一致,單位為pF。

4.電容器的分類電容器按結(jié)構(gòu)可分為固定電容器、可變電容器、微調(diào)電容器;按介質(zhì)可分為空氣介質(zhì)電容器、固體介質(zhì)(云母、獨(dú)石、陶瓷、滌綸等)電容器及電解電容器;按有無(wú)極性可分為有極性電容器和無(wú)極性電容器。其中,云母、獨(dú)石電容器具有較高的耐壓性;電解電容器有極性,且具有較大的容量。

5.電容器使用的注意事項(xiàng)

(1)電容器的耐壓。每個(gè)電容器都有一定的耐壓程度。使用時(shí)應(yīng)保持實(shí)際電壓比額定電壓低20％～30％,不要十分接近,更不要超過(guò)其額定電壓值,以免由于電源電壓波動(dòng)而將電容器擊穿,進(jìn)而損壞其他元器件。

(2)環(huán)境溫度。氣溫炎熱和柜內(nèi)通風(fēng)不良都會(huì)使電容器環(huán)境溫度升高。如果超過(guò)+60℃,電容器會(huì)很快老化、干枯。為了避免環(huán)境溫度升高,可采用強(qiáng)迫通風(fēng)的方法。同時(shí)在設(shè)計(jì)、安裝時(shí)注意不要把大功率線繞電阻或其他發(fā)熱元件放在電容器旁邊。

(3)電解電容器極性。電解電容器在使用時(shí)必須注意極性,不允許反接,否則將使電容器被擊穿,使電容短路。同時(shí),電解電容器不宜使用在交流電路中,但可用在脈沖電路中。

(4)電容器產(chǎn)生的干擾噪聲。電容器使用不當(dāng)也會(huì)造成噪聲源。例如,鋁電解和鉭電解電容器常用作電源濾波或脈沖耦合電容。在處理微小信號(hào)的電路中,這些電容會(huì)因?yàn)槁╇?或由于其他某些原因(如溫度變化)而形成新的噪聲源。又如FET等高輸入阻抗電路的旁路電容,若容量發(fā)生變化也會(huì)產(chǎn)生噪聲。

6.各種電容器的特點(diǎn)及主要應(yīng)用場(chǎng)合

電容器性能的一般分類如表4-3所列,各類電容器的主要應(yīng)用場(chǎng)合如表4-4所列。表4-3電容器性能的一般分類表4-4各類電容器的主要應(yīng)用場(chǎng)合

Ⅰ類陶瓷電容器的電容量在0.5～80pF之間,最佳允許誤差為±1％,其電容量穩(wěn)定性較好,隨時(shí)間、溫度、電壓和頻率的變化很小,可用在溫度穩(wěn)定性要求高或補(bǔ)償電路中其他元件特性隨溫度變化的場(chǎng)合。Ⅱ類陶瓷電容器電容量在0.5～104pF之間,其允許誤差為±10％和±20％兩種。其電壓系數(shù)隨介電常數(shù)的增加而非線性地變大,交流電壓增加會(huì)使電容量及損耗角正切增加,溫度穩(wěn)定性隨介電常數(shù)的增加而降低,因此不適于精密應(yīng)用。云母、玻璃電容器容量在0.5～104pF之間,最佳允許誤差為±1％,具有高絕緣電阻、低功率系數(shù)、低電感和優(yōu)良的穩(wěn)定性等特點(diǎn),特別適于高頻應(yīng)用,在500MHz的頻率范圍內(nèi),性能優(yōu)良，可用于要求容量較小、品質(zhì)系數(shù)高以及溫度、頻率和時(shí)間穩(wěn)定性好的電路中,也可用作高頻耦合和旁路,或在調(diào)諧電路中作固定電容器元件。云母、玻璃介質(zhì)電容器本質(zhì)上可互換。云母價(jià)廉,但體積較大。紙和塑料或聚酯薄膜電容器電容量范圍較大,可從10pF至幾十微法,最小允許誤差為±2％,可用于要求高溫下具有高而穩(wěn)定的絕緣電阻,在寬溫度范圍內(nèi)具有良好的電容穩(wěn)定性。金屬化電容器采用金屬化聚碳酸醋薄膜,有良好的自愈性能。但自愈也會(huì)明顯增加背景噪聲,在通信電路中使用需注意。金屬化電容器在自愈中也會(huì)產(chǎn)生0.5～2V電壓的迅速波動(dòng),因此不宜在脈沖或觸發(fā)電路中使用。固體鉭電解電容器的電容量在0.1～470μF之間,最小允許誤差為±5％。固體鉭電容器是軍用設(shè)備中使用最廣泛的電解電容器,與其他電解電容器相比,相對(duì)體積較小,對(duì)時(shí)間和溫度呈良好穩(wěn)定性;缺點(diǎn)是電壓范圍窄(6～120V),漏電流大,主要用于濾波、旁路、耦合、隔直流及其他低壓電路中。在設(shè)計(jì)晶體管電路、定時(shí)電路、移相電路及真空管柵極電路時(shí),應(yīng)考慮到漏電流和損耗角正切的影響。非固體鉭電解電容器的電容量在0.2～100μF之間,特點(diǎn)是體積小,耐壓高(5～450V)。漏電流小(后兩個(gè)特點(diǎn)都是與固體鉭電解電容器相比而言的),主要用于電源濾波、旁路和大電容量值的能量?jī)?chǔ)存。無(wú)極性非固體鉭電解電容器適用于交流或可能產(chǎn)生直流反向電壓的地方,如低頻調(diào)諧電路、計(jì)算機(jī)電路、伺服系統(tǒng)等。鋁電解電容器的特點(diǎn)是電容量大(1～65000μF),體積小,價(jià)格低,最好用在60～100kHz頻率范圍內(nèi)。一般用于濾除低頻脈沖直流信號(hào)分量和電容量精度要求的場(chǎng)合。由于不能承受低溫和低氣壓,所以一般只能用于地面設(shè)備。4.3.2電感

1.實(shí)際電感的特性一段導(dǎo)線就構(gòu)成了一個(gè)電感。要獲得較大的電感量,需要將導(dǎo)線繞成線圈。線圈的芯材可以有兩種,一種是非磁性的(空氣),一種是磁性的。磁性磁芯又有閉合磁路的和開(kāi)放磁路的。電感的非理想性:實(shí)際的電感器除了電感參數(shù)以外,還有寄生電阻和電容。其中寄生電容的影響更大。理想電感的阻抗隨著頻率的升高成正比增加,這正是電感對(duì)高頻干擾信號(hào)衰減較大的根本原因。但是,由于匝間寄生電容的存在,實(shí)際的電感器等效電路是一個(gè)LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)角頻率為1/時(shí),會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振,這時(shí)電感的阻抗最大,超過(guò)諧振點(diǎn)后,電感器的阻抗呈現(xiàn)電容阻抗特性——隨頻率增加而降低。電感的電感量越大,往往寄生電容也越大,電感的諧振頻率越低,實(shí)際電感的等效電路如圖4-24所示,頻率特性如圖4-25所示。圖4-24實(shí)際電感的等效電路圖4-25實(shí)際電感的頻率特性說(shuō)明:①實(shí)際電感在諧振頻率以下比理想電感的阻抗更高,在諧振點(diǎn)達(dá)到最大。利用這個(gè)特性,可以通過(guò)調(diào)整電感的電感量和繞制方法使電感在特定的頻率上諧振,從而抑制特定頻率的干擾。②由于開(kāi)放磁芯會(huì)產(chǎn)生漏磁,因此會(huì)在電感周圍產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng),對(duì)周圍的電路產(chǎn)生干擾。為了避免這個(gè)問(wèn)題,盡量使用閉合磁芯。③與漏磁現(xiàn)象相反的是開(kāi)放磁芯電感對(duì)外界的磁場(chǎng)也十分敏感(收音機(jī)內(nèi)的磁性天線就是一個(gè)利用這個(gè)特性的例子),因此,要注意電感拾取外界噪聲而增加電路敏感度的問(wèn)題。為了防止上述電感本身的電磁兼容問(wèn)題,往往將電感屏蔽起來(lái)。當(dāng)頻率較高時(shí),可以用銅或鋁等導(dǎo)電性良好的材料;當(dāng)頻率較低時(shí),要采用高磁導(dǎo)率的材料。電感線圈電感量的估算:繞制線圈時(shí),怎樣估算線圈的電感量呢?如果能夠得到磁芯的詳細(xì)技術(shù)參數(shù),當(dāng)然可以利用公式計(jì)算電感量。但是大多數(shù)場(chǎng)合,我們手頭只有一個(gè)現(xiàn)成的磁芯,想用這個(gè)磁芯制作一個(gè)電感。這時(shí),可以先在這個(gè)磁芯上繞9匝,用電感表測(cè)量其電感量,設(shè)讀數(shù)為L(zhǎng)0,如果你需要的電感量為L(zhǎng),應(yīng)該繞制的匝數(shù)N為

(4-8)

2.電感的主要參數(shù)電感的主要參數(shù)有電感量、品質(zhì)因數(shù)、標(biāo)稱電流值、穩(wěn)定性等。

(1)電感量。電感量的基本單位是亨利,用字母H表示。當(dāng)通過(guò)電感線圈的電流每秒鐘變化1A所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是1V時(shí),線圈的電感是1H。線圈電感量的大小主要取決于線圈的圈數(shù)、繞制方式及磁芯材料等。線圈圈數(shù)越多,繞制的線圈越密集,電感量越大;線圈內(nèi)有磁芯的比無(wú)磁芯的大;磁芯導(dǎo)磁率越大,電感量越大。電感的換算單位有毫亨(mH)、微亨(μH)、納亨(nH),其單位換算關(guān)系為1H=103mH=106μH=109nH電感線圈的允許誤差為±(0.2％～20％)。通常,用于諧振回路的電感線圈精度比較高,而用于耦合回路、濾波回路、換能回路的電感線圈精度比較低,有的甚至無(wú)精度要求。精密電感線圈的允許誤差為±(0.2％～0.5％)。耦合回路電感線圈的允許誤差為±(10％～15％)。高頻阻流圈、鎮(zhèn)流器線圈等的允許誤差為±(10％～20％)。

(2)品質(zhì)因數(shù)。品質(zhì)因數(shù)是衡量電感線圈質(zhì)量的重要參數(shù),用字母Q表示。Q值的大小表明了線圈損耗的大小,Q值越大,線圈的損耗就越小;反之就越大。品質(zhì)因數(shù)Q在數(shù)值上等于線圈在某一頻率的交流電壓下工作時(shí),線圈所呈現(xiàn)的感抗和線圈的直流電阻的比值,即式中:Q為電感線圈的品質(zhì)因數(shù)(無(wú)量綱);L

為電感線圈的電感量(H);R

為電感線圈的直流電阻(Ω);f為電感線圈的工作電壓頻率(Hz)。

(3)分布電容。任何電感線圈,其匝與匝之間、層與層之間、線圈與參考地之間、線圈與磁屏蔽之間等都存在一定的電容,這些電容稱為電感線圈的分布電容。若將這些分布電容綜合在一起,就成為一個(gè)與電感線圈并聯(lián)的等效電容C。當(dāng)電感線圈的工作電壓頻率高于線圈的固有頻率時(shí),其分布電容的影響就超過(guò)了電感的作用(見(jiàn)電感線圈固有頻率f0的計(jì)算表達(dá)式),使電感變成了一個(gè)小電容。因此,電感線圈必須工作在小于其固有頻率下。電感線圈的分布電容是十分有害的,在其制造中必須盡可能地減小分布電容。減小分布電容的有效措施有:①減小骨架直徑;②在滿足電流密度的前提下,盡可能地選用細(xì)一些的漆包銅線;③充分利用可用繞線空間對(duì)線圈進(jìn)行間繞法繞制;④采用多股蜂房式線圈。

(4)標(biāo)稱電流值。標(biāo)稱電流值是指電感線圈在正常工作時(shí)允許通過(guò)的最大電流,也稱做額定電流。若工作電流大于額定電流,線圈就會(huì)因發(fā)熱而改變其原有參數(shù),甚至被燒毀。

(5)參數(shù)穩(wěn)定性。參數(shù)穩(wěn)定性指線圈參數(shù)隨環(huán)境條件變化而變化的程度。線圈在使用過(guò)程中,如果環(huán)境條件(如溫度、濕度等)發(fā)生了變化,則線圈的電感量及品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)也隨著改變。例如,當(dāng)溫度變化時(shí),由于線圈導(dǎo)線受熱后膨脹,使線圈產(chǎn)生幾何變形,從而引起電感量的變化。為了提高線圈的穩(wěn)定性,可從線圈制作上采取適當(dāng)措施,例如,采用熱繞法對(duì)繞制線圈的導(dǎo)線通上電流,使導(dǎo)線變熱,然后繞制成線圈。這樣,導(dǎo)線冷卻后收縮,緊緊貼在骨架上,線圈不易變形,從而提高了穩(wěn)定性。濕度變化會(huì)引起線圈參數(shù)的變化,如濕度增加時(shí),線圈的分布電容和漏電都會(huì)增加。為此,要采取防潮措施,減小濕度對(duì)線圈參數(shù)的影響。

3.電感線圈的標(biāo)注方法

LGA型固定磁芯電感的外形結(jié)構(gòu)與電阻相似,采用的是圓柱形磁芯。由于體積較小,故它們的電感量相對(duì)偏小(0.22～1000μH),常用于頻率較高的精密電路。LGA型電感元件均為塑裝臥式元件。LGA型電感標(biāo)注采用文字符號(hào)法、數(shù)字法、色標(biāo)法。①LGA型電感元件的標(biāo)注方法1如圖4-26所示。例如:

1R8K表示電感的電感量標(biāo)稱值為1.8μH,允許誤差為±10％。

5R6M表示電感的電感量標(biāo)稱值為5.6μH,允許誤差為±20％。圖4-26LGA型電感元件的標(biāo)注方法1②LGA型電感元件的標(biāo)注方法2如圖4-27所示。例如:

331K表示電感的電感量標(biāo)稱值為330μH,允許誤差為±10％。

820M表示電感的電感量標(biāo)稱值為82μH,允許誤差為±20％。圖4-27LGA型電感元件的標(biāo)注方法2③LGA型電感元件的標(biāo)注方法3如圖4-28所示。例如:

R560K表示電感的電感量標(biāo)稱值為56μH,允許誤差為±10％。

R821M表示電感的電感量標(biāo)稱值為820μH,允許誤差為±20％。圖4-28LGA型電感元件的標(biāo)注方法3

4.克服電感寄生電容的方法要拓寬電感的工作頻率范圍,最關(guān)鍵的是減小寄生電容。電感的寄生電容與匝數(shù)、磁芯材料(介電常數(shù))、線圈的繞法等因素有關(guān)。用下面的方法可以減小寄生電容。

(1)盡量單層繞制:當(dāng)空間允許時(shí),盡量使線圈為單層,并使輸入/輸出遠(yuǎn)離。

(2)多層繞制的方法:當(dāng)線圈的匝數(shù)較多,必須多層繞制時(shí),要向一個(gè)方向繞,邊繞邊重疊,不要繞完一層后,再往回繞。

(3)分段繞制:在一個(gè)磁芯上將線圈分段繞制,這樣每段的電容較小,并且總的寄生電容是兩段上的寄生電容的串聯(lián),總?cè)萘勘让慷蔚募纳萘啃　?/p>

(4)多個(gè)電感串聯(lián)起來(lái):對(duì)于要求較高的濾波器,可以將一個(gè)大電感分解成一個(gè)較大的電感和若干電感量不同的小電感,將這些電感串聯(lián)起來(lái),可以使電感的帶寬擴(kuò)展。但這付出的代價(jià)是體積增大和成本升高。另外要注意與電容并聯(lián)同樣的問(wèn)題,即引入了額外的串聯(lián)諧振點(diǎn),諧振點(diǎn)上電感的阻抗很小。

5.共模扼流線圈當(dāng)電感中流過(guò)較大電流時(shí),電感會(huì)發(fā)生飽和,導(dǎo)致電感量下降。共模扼流圈可以避免這種情況的發(fā)生。

(1)共模扼流圈的結(jié)構(gòu):將傳輸電流的兩根導(dǎo)線(例如,直流供電的電源線和地線,交流供電的火線和零線)按照?qǐng)D4-29所示的方法繞制。這時(shí),兩根導(dǎo)線中的電流在磁芯中產(chǎn)生的磁力線方向相反,并且強(qiáng)度相同,剛好抵消,所以磁芯中總的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0,因此磁芯不會(huì)飽和。而對(duì)于兩根導(dǎo)線上方向相同的共模干擾電流,則沒(méi)有抵消的效果,會(huì)呈現(xiàn)較大的電感。由于這種電感只對(duì)共模干擾電流有抑制作用,而對(duì)差模電流沒(méi)有影響,因此稱做共模扼流圈。圖4-29共模扼流圈的構(gòu)造

(2)制作方法:電流的去線和回線要滿足流過(guò)它們的電流在磁芯中產(chǎn)生的磁力線抵消的條件。對(duì)于沒(méi)有很高絕緣要求的信號(hào)線,可以采用雙線并繞的方法構(gòu)成共模扼流圈,但對(duì)于交流電源線,考慮到兩根導(dǎo)線之間必須承受較高的電壓,必須分開(kāi)繞制。

(3)共模扼流圈寄生差模電感:理想的共模扼流圈上的兩根導(dǎo)線產(chǎn)生的磁通完全抵消,磁芯永遠(yuǎn)不會(huì)飽和,并且對(duì)差模電流沒(méi)有任何影響。但實(shí)際的共模扼流圈兩組線圈產(chǎn)生的磁力線不會(huì)全集中在磁芯中,而會(huì)有一定的漏磁,這部分漏磁不會(huì)抵消,因此還是有一定的差模電感。

(4)寄生差模電感的優(yōu)點(diǎn):由于寄生差模電感的存在,共模扼流圈可以對(duì)差模干擾有一定的抑制作用。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí),可以將這種因素考慮進(jìn)來(lái)。

(5)寄生差模電感的危害:寄生差模電感會(huì)導(dǎo)致電感磁芯飽和,而且從磁芯中泄漏出來(lái)的差模磁場(chǎng)會(huì)形成新的輻射干擾源。

(6)影響寄生差模電感的因素:與線圈的繞制方法和線圈周圍物體的磁導(dǎo)率等有關(guān)。例如,將共模扼流圈放進(jìn)鋼制小盒中,會(huì)增加差模電感。

(7)差模電感的測(cè)量方法:將共模扼流圈一端的兩根導(dǎo)線短接,在另一端上測(cè)量線圈的電感。4.3.3鐵氧體EMI抑制元件

吸收式濾波器由有耗器件構(gòu)成,在阻帶內(nèi),有耗器件將電磁騷擾的能量吸收后轉(zhuǎn)化為熱損耗,從而起到濾波作用。鐵氧體材料就是一種廣泛應(yīng)用的有耗器件,可用來(lái)構(gòu)成低通濾波器。鐵氧體是一種立方晶格結(jié)構(gòu)的亞鐵磁性材料。它的制造工藝和機(jī)械性能與陶瓷相似。但顏色為黑灰色,故又稱黑磁性瓷。鐵氧體的分子結(jié)構(gòu)為MO·Fe2O3,其中MO為金屬氧化物,通常是MnO或ZnO。

1.鐵氧體的特性導(dǎo)線穿過(guò)鐵氧體磁芯構(gòu)成的電感的阻抗雖然在形式上隨著頻率的升高而增加,但是在不同頻率上,其機(jī)理是完全不同的。如圖4-30所示,在低頻段,阻抗由電感的感抗構(gòu)成。此時(shí),磁芯的磁導(dǎo)率較高,因此電感量較大,并且這時(shí)磁芯的損耗較小,整個(gè)器件是一個(gè)低損耗、高Q值特性的電感,這種電感容易造成諧振。因此在低頻段,有時(shí)會(huì)有干擾增強(qiáng)的現(xiàn)象。在高頻段,阻抗由電阻成分構(gòu)成,隨著頻率升高,磁芯的磁導(dǎo)率降低,導(dǎo)致電感的電感量減小,感抗成分減小。但是,這時(shí)磁芯的損耗增加,電阻成分增加,導(dǎo)致總的阻抗增加。當(dāng)高頻信號(hào)通過(guò)鐵氧體時(shí),電磁能量以熱的形式耗散掉。圖4-30鐵氧體的頻率特性鐵氧體的等效電路在低頻和高頻時(shí)是不同的。低頻時(shí)是一個(gè)電感,高頻時(shí)是隨頻率變化的電阻。電感與電阻有著本質(zhì)的區(qū)別。電感本身并不消耗能量,而僅儲(chǔ)存能量,因此,電感會(huì)與電路中的電容構(gòu)成諧振電路,使某些頻率上的干擾增強(qiáng)。電阻是要消耗能量的,從實(shí)質(zhì)上減小干擾。當(dāng)穿過(guò)鐵氧體的導(dǎo)線中流過(guò)電流時(shí),會(huì)在鐵氧體磁芯中產(chǎn)生磁場(chǎng),當(dāng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度超過(guò)一定量值時(shí),磁芯發(fā)生飽和,磁導(dǎo)率急劇降低,電感量減小。因此,當(dāng)濾波器中流過(guò)較大的電流時(shí),濾波器的低頻插入損耗會(huì)發(fā)生變化。高頻時(shí),磁芯的磁導(dǎo)率已經(jīng)較低,并且高頻時(shí)主要靠磁芯的損耗特性工作,因此,電流對(duì)濾波器的高頻特性影響不大。

2.鐵氧體的應(yīng)用鐵氧體的應(yīng)用主要有以下三個(gè)方面:

(1)低電平信號(hào)應(yīng)用;

(2)電源變換與濾波;

(3)電磁騷擾抑制。不同的應(yīng)用對(duì)鐵氧體材料的特性及鐵氧體芯的形狀有不同的要求。在低電平信號(hào)應(yīng)用中,所要求的鐵氧體材料的特性由磁導(dǎo)率決定,并且鐵氧體芯的損耗要小,還要具有好的磁穩(wěn)定性,即隨時(shí)間和溫度變化其改變不大。鐵氧體在這方面的應(yīng)用包括高Q值電感器,共模電感器,寬帶、匹配脈沖變壓器,無(wú)線電接收天線和有源、無(wú)源天線。在電源應(yīng)用方面,要求鐵氧體材料在工作頻率和溫度上具有高的磁通密度和低損耗的特點(diǎn)。在這方面的應(yīng)用包括開(kāi)關(guān)電源、磁放大器、DC-DC變換器、電源線濾波器、觸發(fā)線圈和用于電車電源蓄電池充電的變壓器。在抑制電磁騷擾應(yīng)用方面,對(duì)鐵氧體性能影響最大的是鐵氧體材料的磁導(dǎo)率,它直接與鐵氧體芯的阻抗成正比。鐵氧體一般通過(guò)三種方式來(lái)抑制無(wú)用的傳導(dǎo)或輻射信號(hào)。首先,不太常用的是將鐵氧體作為實(shí)際的屏蔽層來(lái)將導(dǎo)體、元器件或電路與環(huán)境中的散射電磁場(chǎng)隔離開(kāi)。其次,是將鐵氧體用作為電感器,以構(gòu)成低通濾波器,在低頻時(shí)提供感性-容性通路,而在較高頻率時(shí)損耗較大。最后,最常用的應(yīng)用是將鐵氧體芯直接用于元器件的引線或線路板級(jí)電路上。在這種應(yīng)用中,鐵氧體磁芯能抑制任何寄生振蕩和衰減感應(yīng)或傳輸?shù)皆骷€上或與之相連的電纜線中的高頻無(wú)用信號(hào)。在第二和第三種應(yīng)用中,鐵氧體芯通過(guò)消除或極大地衰減電磁騷擾源的高頻電流來(lái)抑制傳導(dǎo)騷擾。采用鐵氧體能提供足夠高的高頻阻抗來(lái)減小高頻電流。從理論上講,理想的鐵氧體能在高頻段提供高阻抗,而在所有其他頻段上提供零阻抗。但實(shí)際上,鐵氧體芯的阻抗是依賴于頻率的,在頻率低于1MHz時(shí),其阻抗最低,對(duì)于不同的鐵氧體材料,最高的阻抗出現(xiàn)在10～500MHz之間。

3.鐵氧體EMI抑制元件的應(yīng)用鐵氧體抑制元件廣泛應(yīng)用于PCB、電源線和數(shù)據(jù)線上。

(1)鐵氧體EMI抑制元件在PCB上的應(yīng)用。EMI設(shè)計(jì)的首要方法是抑源法,即在PCB上的EMI源處將EMI抑制掉。這個(gè)設(shè)計(jì)思想是將噪音限制在小的區(qū)域,避免高頻噪音耦合到其他電路,而這些電路通過(guò)連線可能產(chǎn)生更強(qiáng)的輻射。

PCB上的EMI源來(lái)自數(shù)字電路,其高頻電流在電源線和地之間產(chǎn)生一個(gè)共模電壓降,造成共模騷擾。電源線或信號(hào)線上的去耦電容會(huì)將IC開(kāi)關(guān)的高頻噪音短路,但是去耦電容常常會(huì)引起高頻諧振,造成新的騷擾。在電路板的電源進(jìn)口處加上鐵氧體抑制磁珠會(huì)有效地將高頻噪音衰減掉。

(2)鐵氧體EMI抑制元件在電源線上的應(yīng)用。電源線會(huì)把外界電網(wǎng)的騷擾、開(kāi)關(guān)電源的噪音傳到主機(jī)。在電源的出口和PCB電源線的入口設(shè)置鐵氧體抑制元件,既可抑制電源與PCB之間的高頻騷擾的傳輸,又可抑制PCB之間高頻噪音的相互騷擾。值得注意的是,在電源線上應(yīng)用鐵氧體元件時(shí)有偏流存在。鐵氧體的阻抗和插入損耗隨著偏流的增加而減少。當(dāng)偏流增加到一定值時(shí),鐵氧體抑制元件會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。在EMC設(shè)計(jì)時(shí)要考慮飽和時(shí)插入損耗降低的問(wèn)題。鐵氧體的磁導(dǎo)率越低,插入損耗受偏流的影響越小,越不易飽和。所以用在電源線上的鐵氧體抑制元件,要選擇磁導(dǎo)率低的材料和橫截面積大的元件。當(dāng)偏流較大時(shí),可將電源的出線(AC的火線,DC的正線)與回線(AC的中線,DC的地線)同時(shí)穿入一個(gè)磁管。這樣可避免飽和,但這種方法只抑制共模噪音。

(3)鐵氧體抑制元件在信號(hào)線上的應(yīng)用。鐵氧體抑制元件最常用的地方就是信號(hào)線,例如,在計(jì)算機(jī)中,EMI信號(hào)會(huì)通過(guò)主機(jī)到鍵盤的電纜傳入到主機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路,而后耦合到CPU,使其不能正常工作。主機(jī)的數(shù)據(jù)或噪音也可通過(guò)電纜線輻射出去。鐵氧體磁珠可用在驅(qū)動(dòng)電路與鍵盤之間,將高頻噪音抑制。由于鍵盤的工作頻率在1MHz左右,數(shù)據(jù)可以幾乎無(wú)損耗地通過(guò)鐵氧體磁珠。扁平電纜也可用專用的鐵氧體抑制元件,將噪音抑制在其輻射之前。

4.鐵氧體EMI印制元件的選擇

鐵氧體抑制元件有多種材料、形狀和尺寸供選擇。為選擇合適的抑制元件,使其對(duì)噪音的抑制更有效,設(shè)計(jì)者必須知道需要抑制的EMI信號(hào)的頻率和強(qiáng)度、要求抑制的效果,即插入損耗值,以及允許占用的空間,包括內(nèi)徑、外徑和長(zhǎng)度尺寸。不同的鐵氧體抑制材料,有不同的最佳抑制頻率范圍,與初始磁導(dǎo)率有關(guān)。通常材料的初始磁導(dǎo)率越高,適用抑制的頻率就越低。下面是常用的幾種抑制鐵氧體材料的適用頻率范圍:初始磁導(dǎo)率最佳抑制頻率范圍