如何通過磁環(huán)與共模濾波器搭配使用解決EMC輻射問題

一概述

本文將從常見的電感入手，簡單介紹電感的高頻特性，再介紹EMC整改過程中常用的兩個器件：磁環(huán)與共模濾波器，最后通過兩個實際案例來說明如何通過磁環(huán)與共模濾波器搭配使用解決EMC輻射問題。

二電感

電感，如圖一所示，一般由線圈和磁芯組成，是能夠把電能轉(zhuǎn)化為磁能而存儲起來的元件，具有通直流阻交流的特點。

圖一電感組成

如圖二所示，當恒定電流流過線圈時，根據(jù)右手螺旋定則，會形成一個圖示方向的靜磁場。而電感中流過交變電流，產(chǎn)生的磁場就是交變磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，線圈上就有感應電動勢，產(chǎn)生感應電流。

圖二電感工作原理

由公式：Z=2πfL，可知頻率ｆ越高，阻抗Ｚ越大，頻率與阻抗呈現(xiàn)線性相關(guān)。但是這只適用于低頻電路，在高頻條件下，實際還需要考慮電感上的寄生電容，它的存在方式是與電感并聯(lián)，實際電感等效模型如圖三所示：

圖三電感高頻等效電路

圖中R表示電感的等效電阻，L表示電感量，C表示電感繞線與繞線之間的寄生電容。圖四是引用網(wǎng)上Matlab做的電感阻抗特性曲線圖：

圖四 電感阻抗特性曲線

圖中轉(zhuǎn)折點為電感的諧振頻率，計算公式為：

電感具有通直流阻交流的作用，常用作儲能和濾波器件，對于EMC整改而言，更主要應用其濾波性能。

現(xiàn)在我們已經(jīng)知道可以通過電感進行濾波，但是對于EMC整改而言，我們需要先確定問題點才能進行有效的濾波。那么我們該如何判斷輻射來源呢？在實驗室，針對板上噪聲可以用頻譜儀和示波器進行問題排查，而針對通過線纜作為輻射天線的問題點判斷，我們可以考慮在線束上加電感進行濾波嘗試。但直接加電感操作比較麻煩，選型也不方便，這個時候做一個簡易的電感更方便，所需要的僅僅只是一個磁環(huán)。

三磁環(huán)

磁環(huán)是一塊環(huán)狀的導磁體，在不同的頻率下由不同的阻抗特性，一般在高頻是阻抗很小，當頻率升高磁環(huán)表現(xiàn)的阻抗急劇升高。通過電感部分的內(nèi)容我們可以知道，電感由線圈和磁芯組成，當我們把線纜繞在磁環(huán)上，一個簡易的電感便完成了。

圖五 磁環(huán)

磁環(huán)有鐵氧體磁環(huán)和非晶磁環(huán)，針對不同頻段濾波選用不同材料的磁環(huán)，鐵氧體磁一般用在高頻（18KHz~1MHz以上），非晶一般針對的頻率低一點（2KHz~13KHz）。

當噪聲是差模噪聲時，單線繞磁環(huán)可以對噪聲產(chǎn)生一定的抑制效果，但是很多時候，如果噪聲屬于共模噪聲時，只對單根導線進行濾波是不夠的。

共模噪聲模型如圖五所示：

圖六 共模電流示意圖

如圖，由于高頻信號與地之間通過寄生電容形成回路，從而在原本的信號回路中多了一個等大同向的共模電流，這部分噪聲只對單線加磁環(huán)無法有效抑制噪聲?？梢钥紤]兩根線都各加一個磁環(huán)，相當于各串一個電感，但我們有更好的方法：兩根線同時繞在同一個磁環(huán)上，這就是一個簡易的共模濾波器。

四共模濾波器

共模濾波器由雙線并繞在磁芯組成，工作原理如圖七所示：

圖七 共模濾波器工作原理

對于共模電流而言，共模濾波器通過磁通量疊加，對共模電流的抑制更明顯，而對于差模電流，磁通抵消，不體現(xiàn)電感特性，故不會對差模信號造成損耗。

在實際的EMC問題中，輻射很多時候都是由共模與差模噪聲疊加在一起的。其中，由于在電路中高頻串擾更明顯，所以共模噪聲很多時候是造成EMC輻射超標的主要問題。整改過程中，通常會在線束上以雙線并繞在磁環(huán)上的方式組成簡易共模濾波器，進而快速判斷噪聲的輻射路徑。

當我們通過磁環(huán)找到問題點之后，接下來需要做的便是著手整改，針對共模噪聲，最大的殺器便是共模電感，以下是實際整改中通過磁環(huán)進行問題排查以及共模濾波器進行實際整改的案例。

五案例分享

案例1：掃碼槍

問題：時鐘輻射超標

整改：時鐘源頭是掃描攝像頭sensor返回給主IC的時鐘信號，通過對USB端口套磁環(huán)，有明顯改善，說明時鐘信號耦合到USB端并通過USB線束輻射出去，可以通過共模電感進行噪聲抑制。

整改措施如下：

整改前數(shù)據(jù)：

套磁環(huán)后數(shù)據(jù)：

加共模后數(shù)據(jù)：

例2：吸塵器

問題：當滾刷電機工作的時候，在50MHz~100MHz頻段會出現(xiàn)包絡狀輻射超標問題。

整改：通過對主板端到電機的供電線束套磁環(huán)，有明顯改善，可以通過在主板端加共模濾波器進行濾波處理。

整改措施如下：

整改前數(shù)據(jù)：

整改后數(shù)據(jù)：

六總結(jié)

在EMC整改過程中，我們會有一些常用的整改器件，在本篇主要提及了電感、磁環(huán)和共模濾波器，其中磁環(huán)主要是用來快速確定輻射路徑。利用磁環(huán)與單線進行繞制可以制作簡易的電感，用于判斷差模干擾；利用磁環(huán)與雙線進行繞制可以制作簡易的共模電感，可以判斷共模噪聲。當我們確定了噪聲輻射路徑之后，下一步便可以著手進行整改，選擇合適的電感或者共模濾波器對噪聲進行抑制。

EMI三要素包括干擾源，耦合路徑和敏感設(shè)備，這里通過磁環(huán)進行問題排查主要是從耦合路徑入手處理EMC問題。面對越來越復雜的電磁環(huán)境，EMC問題永遠沒有固定解，需要綜合考慮多種因素，在這方面，韜略科技經(jīng)過長期與客戶一起處理EMC問題，已經(jīng)積累了大量實踐經(jīng)驗，可以助各位工程師在EMC整改方面一臂之力，歡迎隨時咨詢。

審核編輯 ：李倩