I condensatori di filtro, gli induttori di modo comune e le sfere magnetiche sono elementi comuni nei circuiti di progettazione EMC e sono anche tre potenti strumenti per eliminare le interferenze elettromagnetiche.
Per quanto riguarda il ruolo di questi tre nel circuito, credo che molti ingegneri non lo capiscano, l'articolo dalla progettazione di un'analisi dettagliata del principio di eliminazione dei tre EMC più acuti.
1. Condensatore di filtro
Sebbene la risonanza del condensatore sia indesiderabile dal punto di vista del filtraggio del rumore ad alta frequenza, non è sempre dannosa.
Una volta determinata la frequenza del rumore da filtrare, è possibile regolare la capacità del condensatore in modo che il punto di risonanza cada esattamente sulla frequenza di disturbo.
Nell'ingegneria pratica, la frequenza del rumore elettromagnetico da filtrare è spesso alta quanto centinaia di MHz o addirittura superiore a 1 GHz. Per rumori elettromagnetici a frequenze così elevate, è necessario utilizzare un condensatore passante per filtrarli efficacemente.
Il motivo per cui i condensatori ordinari non riescono a filtrare efficacemente il rumore ad alta frequenza è dovuto a due motivi:
(1) Un motivo è che l'induttanza del conduttore del condensatore provoca la risonanza del condensatore, che presenta una grande impedenza al segnale ad alta frequenza e indebolisce l'effetto bypass del segnale ad alta frequenza;
(2) Un altro motivo è che la capacità parassita tra i fili accoppia il segnale ad alta frequenza, riducendo l'effetto di filtraggio.
Il motivo per cui il condensatore passante riesce a filtrare efficacemente il rumore ad alta frequenza è che non solo non presenta il problema dell'induttanza del conduttore che causa una frequenza di risonanza del condensatore troppo bassa.
Il condensatore passante può essere installato direttamente sul pannello metallico, sfruttando il pannello stesso per svolgere la funzione di isolamento ad alta frequenza. Tuttavia, quando si utilizza un condensatore passante, il problema a cui prestare attenzione è quello dell'installazione.
Il più grande punto debole del condensatore passante è il rischio di alte temperature e di impatto termico, che causano grandi difficoltà nella saldatura del condensatore passante al pannello metallico.
Molti condensatori si danneggiano durante la saldatura. Soprattutto quando è necessario installare un gran numero di condensatori a nucleo sul pannello, finché c'è un danno, è difficile ripararlo, perché la rimozione del condensatore danneggiato causerà danni anche agli altri condensatori nelle vicinanze.
2. Induttanza di modo comune
Poiché i problemi EMC sono per lo più dovuti alle interferenze in modalità comune, anche gli induttori in modalità comune sono tra i componenti più potenti che utilizziamo più comunemente.
L'induttore di modo comune è un dispositivo di soppressione delle interferenze di modo comune con nucleo in ferrite, costituito da due bobine delle stesse dimensioni e dello stesso numero di spire avvolte simmetricamente sullo stesso nucleo magnetico ad anello di ferrite per formare un dispositivo a quattro terminali, che ha un grande effetto di soppressione dell'induttanza per il segnale di modo comune e una piccola induttanza di dispersione per il segnale di modo differenziale.
Il principio è che quando scorre la corrente di modo comune, il flusso magnetico nell'anello magnetico si sovrappone, creando così una notevole induttanza, che inibisce la corrente di modo comune, e quando le due bobine scorrono attraverso la corrente di modo differenziale, il flusso magnetico nell'anello magnetico si annulla a vicenda e non c'è quasi induttanza, quindi la corrente di modo differenziale può passare senza attenuazione.
Pertanto, l'induttore di modo comune può sopprimere efficacemente il segnale di interferenza di modo comune nella linea bilanciata, ma non ha alcun effetto sulla normale trasmissione del segnale di modo differenziale.
Gli induttori di modo comune devono soddisfare i seguenti requisiti al momento della fabbricazione:
(1) I fili avvolti sul nucleo della bobina devono essere isolati per garantire che non vi sia alcun cortocircuito tra le spire della bobina sotto l'azione di sovratensione istantanea;
(2) Quando la bobina scorre attraverso la corrente istantanea elevata, il nucleo magnetico non dovrebbe essere saturo;
(3) Il nucleo magnetico nella bobina deve essere isolato dalla bobina per evitare guasti tra i due sotto l'azione di sovratensione istantanea;
(4) La bobina deve essere avvolta il più possibile in un unico strato, in modo da ridurre la capacità parassita della bobina e migliorare la capacità della bobina di trasmettere sovratensioni transitorie.
In circostanze normali, prestando attenzione alla selezione della banda di frequenza necessaria per il filtraggio, maggiore è l'impedenza di modo comune, meglio è, quindi dobbiamo esaminare i dati del dispositivo quando selezioniamo l'induttore di modo comune, principalmente in base alla curva di frequenza dell'impedenza.
Inoltre, durante la selezione, prestare attenzione all'impatto dell'impedenza di modo differenziale sul segnale, concentrandosi principalmente sull'impedenza di modo differenziale e prestando particolare attenzione alle porte ad alta velocità.
3. Perlina magnetica
Nel processo di progettazione EMC del circuito digitale del prodotto, utilizziamo spesso sfere magnetiche, il materiale di ferrite è una lega di ferro-magnesio o una lega di ferro-nichel, questo materiale ha un'elevata permeabilità magnetica, può essere l'induttore tra l'avvolgimento della bobina in caso di alta frequenza e alta resistenza generata capacità minima.
I materiali in ferrite sono solitamente utilizzati ad alte frequenze, poiché a basse frequenze le loro principali caratteristiche induttive rendono le perdite sulla linea molto ridotte. Ad alte frequenze, sono principalmente rapporti caratteristici di reattanza e variano con la frequenza. Nelle applicazioni pratiche, i materiali in ferrite vengono utilizzati come attenuatori ad alta frequenza per circuiti a radiofrequenza.
Infatti, la ferrite è più equivalente al parallelo di resistenza e induttanza: la resistenza viene cortocircuitata dall'induttore a bassa frequenza e l'impedenza dell'induttore diventa piuttosto elevata ad alta frequenza, in modo che tutta la corrente passi attraverso la resistenza.
La ferrite è un dispositivo di consumo in cui l'energia ad alta frequenza viene convertita in energia termica, la cui resistenza è determinata dalle sue caratteristiche di resistenza elettrica. Le sfere magnetiche di ferrite hanno migliori caratteristiche di filtraggio ad alta frequenza rispetto ai normali induttori.
La ferrite è resistiva alle alte frequenze, equivalente a un induttore con un fattore di qualità molto basso, quindi può mantenere un'impedenza elevata su un'ampia gamma di frequenze, migliorando così l'efficienza del filtraggio ad alta frequenza.
Nella banda delle basse frequenze, l'impedenza è composta dall'induttanza. A bassa frequenza, R è molto piccola e la permeabilità magnetica del nucleo è elevata, quindi l'induttanza è elevata. L gioca un ruolo importante e l'interferenza elettromagnetica viene soppressa per riflessione. In questo momento, la perdita del nucleo magnetico è piccola, l'intero dispositivo è a bassa perdita, con caratteristiche Q elevate dell'induttore, che può facilmente causare risonanza, quindi nella banda delle basse frequenze, a volte si possono verificare interferenze maggiori dopo l'uso di sfere magnetiche in ferrite.
Nella banda delle alte frequenze, l'impedenza è composta da componenti resistive. All'aumentare della frequenza, la permeabilità del nucleo magnetico diminuisce, con conseguente diminuzione dell'induttanza dell'induttore e della componente di reattanza induttiva.
Tuttavia, in questo momento, la perdita del nucleo magnetico aumenta, la componente di resistenza aumenta, con conseguente aumento dell'impedenza totale e quando il segnale ad alta frequenza passa attraverso la ferrite, l'interferenza elettromagnetica viene assorbita e convertita sotto forma di dissipazione del calore.
I componenti di soppressione in ferrite sono ampiamente utilizzati nei circuiti stampati, nelle linee elettriche e nelle linee dati. Ad esempio, un elemento di soppressione in ferrite viene aggiunto all'estremità di ingresso del cavo di alimentazione del circuito stampato per filtrare le interferenze ad alta frequenza.
L'anello magnetico in ferrite o la perla magnetica sono utilizzati specificamente per sopprimere le interferenze ad alta frequenza e le interferenze di picco sulle linee di segnale e sulle linee elettriche, e hanno anche la capacità di assorbire le interferenze impulsive delle scariche elettrostatiche. L'uso di perle magnetiche o induttori a chip dipende principalmente dall'applicazione pratica.
Gli induttori a chip vengono utilizzati nei circuiti risonanti. Quando è necessario eliminare interferenze elettromagnetiche non necessarie, l'uso di perline magnetiche a chip è la scelta migliore.
Applicazione di sfere magnetiche e induttori a chip
Induttori a chip:Comunicazioni a radiofrequenza (RF) e wireless, apparecchiature informatiche, rilevatori radar, elettronica automobilistica, telefoni cellulari, cercapersone, apparecchiature audio, assistenti digitali personali (PDA), sistemi di controllo remoto wireless e moduli di alimentazione a bassa tensione.
Perline magnetiche a chip:Circuiti generatori di clock, filtraggio tra circuiti analogici e digitali, connettori interni di input/output I/O (come porte seriali, porte parallele, tastiere, mouse, telecomunicazioni a lunga distanza, reti locali), circuiti RF e dispositivi logici sensibili alle interferenze, filtraggio delle interferenze condotte ad alta frequenza nei circuiti di alimentazione, computer, stampanti, videoregistratori (VCRS), soppressione del rumore EMI nei sistemi televisivi e nei telefoni cellulari.
L'unità di misura della perla magnetica è l'ohm, perché l'unità della perla magnetica è nominale in base all'impedenza che produce a una certa frequenza, e l'unità di misura dell'impedenza è anch'essa l'ohm.
La SCHEDA TECNICA della perla magnetica in genere fornirà le caratteristiche di frequenza e impedenza della curva, in genere 100 MHz come standard, ad esempio, quando la frequenza è di 100 MHz quando l'impedenza della perla magnetica è equivalente a 1000 ohm.
Per la banda di frequenza che vogliamo filtrare, dobbiamo scegliere un'impedenza della perla magnetica che sia maggiore, meglio è; solitamente scegliamo un'impedenza di 600 ohm o superiore.
Inoltre, quando si selezionano le sfere magnetiche, è necessario prestare attenzione al flusso delle sfere magnetiche, che in genere deve essere ridotto dell'80%, e si dovrebbe considerare l'influenza dell'impedenza CC sulla caduta di tensione quando vengono utilizzate nei circuiti di potenza.
Data di pubblicazione: 24-07-2023
