如何控制EMI

每種含有開(kāi)關(guān)電源或微處理器電路的電子設(shè)備都存在電磁干擾 (EMI) ，降低電磁干擾需要大量工程資源并顯著增加設(shè)備的成本。規(guī)范要求限制電子器件發(fā)射的EMI量，避免附近其他器件受到這種干擾。EMI測(cè)試成本高，同時(shí)，為了滿足合規(guī)要求，能有效降低EMI的設(shè)計(jì)又是十分重要的。充分了解產(chǎn)生電磁場(chǎng)的來(lái)源可為低EMI設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

EMI是怎樣產(chǎn)生的?

如圖1所示，導(dǎo)體中流過(guò)電流，就會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)互相垂直的場(chǎng)。這兩個(gè)場(chǎng)的強(qiáng)度與導(dǎo)體中的電流和電壓成正比。其中一個(gè)垂直的場(chǎng)由數(shù)條以線表示的磁通量構(gòu)成，稱為“B”磁場(chǎng)。這些以線表示的磁通量是電磁器件、電機(jī)和發(fā)電機(jī)工作的關(guān)鍵。沒(méi)有電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，電流不可能轉(zhuǎn)換成做功的力。因此，在加以抑制和控制的情況下，B磁場(chǎng)是必不可少的。如果不加以抑制，B磁場(chǎng)會(huì)與附近其他器件或?qū)w形成感應(yīng)電壓，產(chǎn)生EMI即噪聲。

圖1: 導(dǎo)體中流過(guò)電流產(chǎn)生“B”磁場(chǎng)和 “E”電場(chǎng)

另一個(gè)垂直的場(chǎng)是 “E”電場(chǎng)或靜電場(chǎng)。E電場(chǎng)就是收集儲(chǔ)存在電容中的能量。它會(huì)產(chǎn)生靜電吸附，也是造成摩擦地板上的地毯之后接觸到金屬物體會(huì)產(chǎn)生火花放電的原因。E電場(chǎng)使無(wú)線電、電視、WiFi、藍(lán)牙和蜂窩通信成為可能。電流經(jīng)調(diào)制通過(guò)天線產(chǎn)生調(diào)制E電場(chǎng)向空中發(fā)射。這些E電場(chǎng)又會(huì)通過(guò)接收天線產(chǎn)生電流—解碼為數(shù)據(jù)、語(yǔ)音或視頻信號(hào)—進(jìn)而進(jìn)行無(wú)線通信。遺憾的是，噪聲的發(fā)射也像數(shù)據(jù)或視頻一樣容易，并被其他天線或用作天線的電子器件接收。這種EMI或噪聲是極不希望產(chǎn)生的，因?yàn)闀?huì)造成通信干擾。

控制EMI

E電場(chǎng)和B磁場(chǎng)會(huì)造成器件EMI輻射，需要極力遏制。除采用含有接地層的多層PCB，PCB設(shè)計(jì)和布局中還采用許多技巧幫助減輕EMI輻射。盡管做出這種的努力，但遏制EMI的唯一解決辦法通常是給PCB電子器件加金屬罩，如圖2所示。這些金屬罩一般接地，俘獲E和B場(chǎng)并對(duì)其進(jìn)行衰減或短路到地，避免器件EMI外漏。

圖2: 用來(lái)降低電子器件EMI輻射的金屬屏蔽罩

由于一個(gè)或多個(gè)線圈能夠集中B磁場(chǎng)并儲(chǔ)存其能量，或?qū)⑵鋸囊粋€(gè)繞組傳送到另一繞組，如變壓器。所以B磁場(chǎng)會(huì)使電感元件產(chǎn)生EMI問(wèn)題，。線圈越多，B磁場(chǎng)密度越高，對(duì)周圍器件產(chǎn)生的EMI影響越嚴(yán)重。如果電感或變壓器含有開(kāi)口磁路，或控制磁飽和的磁芯存在很大間隙，B電場(chǎng)會(huì)非常容易地輻射到電感體外部，對(duì)周圍器件產(chǎn)生噪聲問(wèn)題。圖3所示為磁芯電感典型磁通圖。今天介紹的這款電感一般稱為屏蔽電感。屏蔽電感(如復(fù)合型Vishay IHLP®系列)線圈繞組完全被磁性材料包裹，可將幾乎所有B磁場(chǎng)抑制在電感內(nèi)部，顯著降低電感B磁場(chǎng)泄漏產(chǎn)生EMI。

雖然屏蔽電感在抑制B磁場(chǎng)方面很出色，但所有電感都是E電場(chǎng)發(fā)射器，無(wú)論其結(jié)構(gòu)如何，這種輻射E電場(chǎng)是設(shè)計(jì)工程師面臨的問(wèn)題。電感往往是PCB上電流量最高的組件之一，也是產(chǎn)生E電場(chǎng)密度和輻射EMI最大的器件之一。因此，為了降低電感的EMI，設(shè)計(jì)師需要在PCB上將電感放在金屬屏蔽罩之下，這樣可將其靠近屏蔽范圍內(nèi)更敏感的器件。為配合電感的使用，金屬屏蔽罩可能還要加大尺寸，這會(huì)增加成本并有可能使器件整體尺寸大于預(yù)期。

圖3: 磁芯電感開(kāi)口磁路導(dǎo)致B電場(chǎng)泄漏造成EMI

IHLE – 控制功率電感器E電場(chǎng)輻射的解決方案

Vishay最近推出IHLP電感器頂部帶有集成式電場(chǎng)屏蔽的新型IHLE系列器件 (參見(jiàn)圖4)。

圖4: Vishay新型IHLE電感器采用集成式電場(chǎng)屏蔽減小EMI

集成屏蔽器件外形僅比標(biāo)準(zhǔn)IHLP電感器大0.3mm。IHLE集成屏蔽接地時(shí)，在1cm距離，電感輻射電場(chǎng)可減小20dB。

屏蔽采用銅板設(shè)計(jì)，優(yōu)化厚度和覆蓋范圍以最大限度衰減電場(chǎng)，同時(shí)保持IHLP電感器的緊湊尺寸和性能。屏蔽鍍鎳 (抑制晶須)，外層100%裹錫，便于屏蔽端子焊接PCB接地。屏蔽必須接地才能取得顯著減小電場(chǎng)的效果。

圖5為IHLE與其他電感器的性能對(duì)比。圖中顯示同一電路中三種不同電感器輻射強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果。三種電感器均為1µH，尺寸和額定電流相似。測(cè)試電路由DC/DC轉(zhuǎn)換器組成，工作頻率500kHz，電壓12V in和1.5V out，固定直流負(fù)載15A。檢測(cè)線圈直接放在電感器上方0 cm至8 cm，測(cè)量并記錄電感器輻射電場(chǎng)的感應(yīng)電壓。

圖中顯示，開(kāi)口磁路、鼓型磁芯電感器產(chǎn)生的EMI最大，拾波線圈感應(yīng)到的參考電壓約為3.4mV。IHLP復(fù)合電感器本身感應(yīng)電壓顯著改進(jìn)，1cm處讀數(shù)約為1.0mV。與鐵氧體鼓芯電感器相比，IHLP消除了拾波線圈感應(yīng)到的大部分B電場(chǎng)，但感應(yīng)電壓產(chǎn)生一定程度E電場(chǎng)。這種E電場(chǎng)可通過(guò)IHLE采用的集成屏蔽進(jìn)一步減小，最低讀數(shù)約為0.28mV。

顯然，IHLE并沒(méi)有完全消除E電場(chǎng)和EMI，但與其他電感器解決方案相比取得了顯著降低的效果。IHLE也不能減小其他器件產(chǎn)生的EMI，因此IHLE本身不是EMI單一解決方案，但可以改進(jìn)功率電感器的輻射EMI。這種改進(jìn)使設(shè)計(jì)工程師能夠重新調(diào)整功率電感器在PCB上的位置，或在某些情況下取消所需的單獨(dú)金屬屏蔽罩。

由于采用四個(gè)接頭，在高度沖擊振動(dòng)情況下，需要進(jìn)行機(jī)械安全性測(cè)量時(shí)，IHLE比兩接頭IHLP具有更強(qiáng)的抗振性和抗機(jī)械沖擊能力。

IHLE目前供貨尺寸為常用4040 (10mm x 10mm x 4.3mm)，具有相同額定電流和DCR的任何標(biāo)準(zhǔn)IHLP4040等效電感值。Vishay計(jì)劃2017年發(fā)布更加通用規(guī)格的IHLE，其中包括5050 (13mm x 13mm)、3232 (8mm x 8mm)、2525 (6.5mm x 6.5mm)、2020 (5mm x 5mm)和1616 (4mm x 4mm)。

圖5: 圖中顯示IHLE感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)低于其他電感器