马永健老师谈EMC设计技巧 元器件, 技巧, 知识

羞红的夏天

【导读】近日参加了EMC专家马永健老师的培训课，虽只是EMC设计的基础知识和元器件选型，却让我茅塞顿开，相比之下，我的知识储备真是微不足道。现将自己获得的一些知识分享出来，共同学习。
很久以来，很多人认为干扰抑制技术是纯经验的实验技巧，做久了自然就能处理干扰问题，其实这是一种错误的认识。
在3-30日举办的马永健EMC培训课上，马老师为在场学员梳理了一遍对EMC的认识以及基本知识。马老师再三强调，EMC是一门多学科的、综合性的学科分支。
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在上半讲，马老师主要讲了EMC的一些理论知识还有标准，他常说的一句话是：产品的电磁兼容是设计出来的，不是实验出来的。
拿汽车电子来说，一般的测试项目中会有CE和RE。CE是传到耦合。RE是辐射耦合。这两者有什么区别呢？传导一定是顺着电源线的，而辐射是沿着空间的。
电磁干扰有三大要素：骚扰源、耦合途径、敏感设备，因此，要做好EMC的设计，就必须做好抑制骚扰源、切断耦合途径、防护敏感设备被骚扰方面的设计。
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解决EMC的三大措施：接地、滤波、屏蔽；电磁兼容研究的无线频谱范围在9KHZ~1GHZ。
电磁兼容涉及的问题总结出来有四大方面：1、骚扰源特性的研究 2、敏感设备的抗干扰性能 3、电磁骚扰的传播特性 4、电磁兼容测量。
后半讲马老师讲的是元器件的EMC选型指南，针对电阻、电容、电感、铁氧体、二极管、有源器件、开关元件、连接器件、过孔、导线在设计EMC时的选型，还有封装对EMI的影响。
之前在做电路设计时，资深的工程师总会告诉新人说电容的管脚不要太长，不然会有干扰，至于原因是什么，也没有人细问。听了马老师的课之后，终于明白，原来电容的管脚1mm就有1nH的集成电感，因此管脚越长，干扰越大。
这里要跟大家澄清一个概念，电磁骚扰仅仅是电磁现象，而电磁干扰是由电磁骚扰引起的后果。一般来讲，CMOS电路比TTL电路的抗干扰能力强。
在设计时，还要注意的是屏蔽不接地、屏蔽无效。滤波器/电容不接地，没法滤波，而且接低阻抗一定要小。电容并联原则：容值要么相等，要么相差100倍，才不会发生反谐振现象。
最后再跟大家分享一点：贴片电容的谐振频率是管脚电容谐振频率的2倍。
马老师讲的知识远远不止这些，我也只能和大家分享这些零散的知识，我自己还要再复习消化，以免下次上课跟不上马老师的步伐。我也真诚的建议对EMC设计感兴趣的朋友，一定要去听听马老师的课，会受益终身。
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磁珠和电感在解决EMI和EMC问题的作用

磁珠可等效成一个电感，但这个等效电感与电感线圈是有区别的，磁珠与电感线圈的最大区别就是，电感线圈有分布电容。因此，电感线圈就相当于一个电感与一个分布电容并联。如图1所示。图1中，LX为电感线圈的等效电感（理想电感），RX为线圈的等效电阻，CX为电感的分布电容。
理论上对传导干扰信号进行抑制，要求抑制电感的电感量越大越好，但对于电感线圈来说，电感量越大，则电感线圈的分布电容也越大，两者的作用将会互相抵消。
图2是普通电感线圈的阻抗与频率的关系图，由图中可以看出，电感线圈的阻抗开始的时候是随着频率升高而增大的，但当它的阻抗增大到最大值以后，阻抗反而随着频率升高而迅速下降，这是因为并联分布电容的作用。当阻抗增到最大值的地方，就是电感线圈的分布电容与等效电感产生并联谐振的地方。图中，L1 > L2 > L3，由此可知电感线圈的电感量越大，其谐振频率就越低。从图2中可以看出，如果要对频率为1MHz的干扰信号进行抑制，选用L1倒不如选用L3，因为 L3的电感量要比L1小十几倍，因此L3的成本也要比L1低很多。
如果我们还要对抑制频率进一步提高，那么我们最后选用的电感线圈就只好是它的最小极限值，只有1圈或不到1圈了。磁珠，即穿心电感，就是一个匝数小于1圈的电感线圈。但穿心电感比单圈电感线圈的分布电容小好几倍到几十倍，因此，穿心电感比单圈电感线圈的工作频率更高。
穿心电感的电感量一般都比较小，大约在几微亨到几十微亨之间，电感量大小与穿心电感中导线的大小以及长度，还有磁珠的截面积都有关系，但与磁珠电感量关系最大的还要算磁珠的相对导磁率  。图3、图4是分别是指导线和穿心电感的原理图，计算穿心电感时，首先要计算一根圆截面直导线的电感，然后计算结果乘上磁珠相对导磁率 就可以求出穿心电感的电感量。
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另外，当穿心电感的工作频率很高时，在磁珠体内还会产生涡流，这相当于穿心电感的导磁率要降低，此时，我们一般都使用有效导磁率 。有效导磁率 就是在某个工作频率之下，磁珠的相对导磁率。但由于磁珠的工作频率都只是一个范围，因此在实际应用中多用平均导磁率 。
在低频时，一般磁珠的相对导磁率都很大（大于100），但在高频时其有效导磁率只有相对导磁率的几分之一，甚至几十分之一。因此，磁珠也有截止频率的问题，所谓截止频率，就是使磁珠的有效导磁率下降到接近1时的工作频率fc，此时磁珠已经失去一个电感的作用。一般磁珠的截止频率fc都在 30～300MHz之间，截止频率的高低与磁珠的材料有关，一般导磁率越高的磁芯材料，其截止频率fc反而越低，因为低频磁芯材料涡流损耗比较大。使用者在进行电路设计的时候，可要求磁芯材料的提供商提供磁芯工作频率与有效导磁率 的测试数据，或穿心电感在不同工作频率之下的曲线图。图5是穿心电感的频率曲线图。
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磁珠另一个用途就是用来做电磁屏蔽，它的电磁屏蔽效果比屏蔽线的屏蔽效果还要好，这是一般人不太注意的。其使用方法就是让一双导线从磁珠中间穿过，那么当有电流从双导线中流过时，其产生的磁场将大部份集中在磁珠体内，磁场不会再向外辐射；由于磁场在磁珠体内会产生涡流，涡流产生电力线的方向与导体表面电力线的方向正好相反，互相可以抵消，磁珠对于电场同样有屏蔽作用，磁珠对导体中的电磁场有很强的屏蔽作用。