片式電磁干擾對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個電感器都可以看作是1個扼流圈,因為其阻抗隨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,于是人們設(shè)計制造了各種特征的扼流圈來滿足不同場合的需求。    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的;而差模干擾的干擾電流則是在信號線與信號“地”線之間的回路中流動的。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,有時由于電纜兩端部位的接“地”電位不同,也會產(chǎn)生共模干擾。它對電磁兼容的危害很大,一方面，共模干擾會使電纜線向外發(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,共模干擾則會轉(zhuǎn)變成差模干擾,將嚴(yán)重影響正常信號的質(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電流同時、同方向在回路中流動,所以它對信號的干擾是嚴(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,人們設(shè)計制造了共模扼流圈、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個磁芯上繞制兩個完全相同的線圈,但繞制方向相反。如圖9(a)所示,當(dāng)差模電流流過時,兩個線圈所產(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,而且對差模信號的阻抗是很低的,

7、這一特征是很重要的;反之,當(dāng)共模電流流過時,如圖9(b)所示,兩個線圈所產(chǎn)生的磁力線方向相同,相互疊加,所以對共模信號的阻抗相當(dāng)高,因而對共模干擾起到了有力的抑制作用。這就是說，1個共模扼流圈在有效地對共模干擾進(jìn)行抑制時,對有用的信號(信號都是差模傳輸)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個低通濾波器時,其形態(tài)因子(shapefactor)較高,因而即便是信號頻率與噪聲頻率相當(dāng)臨近甚至在相同頻帶時,它仍然能夠很好地抑制共模噪聲,而對信號不產(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。實際上有差模電流時,磁芯上繞制的兩個線圈所產(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,在大電流時仍會造成磁芯的飽和。所以，在使用共模扼流圈時,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(將兩個繞組串聯(lián)后測出的電感,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個完全相同的線圈,繞制方向相同。這兩個線圈分別串接在信號線和信號“地”線上。從原理上講,差模扼流圈與采用2個單個的電感器的效果是一致的。但差模扼流圈僅使用1個磁芯,因而它與2個單個的電感器相比較,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個共摸扼流圈

10、和1個差模扼流圈串聯(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合可以用來抑制共模干擾和差模干擾,而且體積小、價格低、使用方便,但它有不足之處,如其形態(tài)因子較小,因而當(dāng)信號頻率與噪聲頻率接近時,磁珠在抑制噪聲的同時將對信號產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,造成信號的畸變;對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,人們設(shè)計制造了共模扼流圈、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對策元件家族中的佼佼者,下面做些簡要介紹。3.2片式扼流圈的分類及其應(yīng)用    國內(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。簡單片式扼流圈 

12、   如上所述,原則上可將1個普通的電感器看成是1個簡單的扼流圈。本文第一部份介紹的片式電感器和磁珠就是1個簡單片式扼流圈,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，對正常的差模信號不產(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及我國的深圳南虹等公司都開發(fā)了多種型號的片式共模扼流圈。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)型號為村田公司的產(chǎn)品型號，在100MHz時,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(如計算機(jī)和外設(shè))中的高速信號線。    另一種DLP11S型號的共模扼流圈是為USB2.0開發(fā)的,體積僅為1.25mm×1.0mm×0.82mm,在100MHz時,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個共模扼流圈和1個差模扼流圈串聯(lián)在一起就是1個雙模(共模/差模)扼流圈,如圖14所示。它同時具有兩種扼流圈的特征,即同時具有高的共模阻

17、抗和差模阻抗。因而能夠同時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,阻抗特性曲線及測試方法如圖15所示。從圖中的曲線可以看出,在100MHz時的共模阻抗超過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)共模測量電路    (a)阻抗特性曲線    (c)差模測量電路  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線。圖19給出這種音頻信號線的結(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,必須同時考慮抑制噪聲、聲音畸變、左右兩線之間的交擾(soundcrosstalk)等問題。音頻信號

22、的頻帶一般在20Hz20kHz,不會產(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個磁珠,那么對于共模噪聲來說,相當(dāng)于3個磁珠并聯(lián),阻抗僅為1個磁珠的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;所謂音頻信號的交擾就是L回路的

23、信號串到R回路,或者相反。試驗表明如果，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,那么就不會引起交擾。此外,低直流電阻也是有益的。為了解決上述3個問題,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，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個磁珠,在D和D2線上接入1個共模扼流圈,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，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個共模扼流圈封裝在一起。TO