EMI是怎樣產(chǎn)生的?

 

如圖1所示，導體中流過電流，就會產(chǎn)生兩個互相垂直的場。這兩個場的強度與導體中的電流和電壓成正比。其中一個垂直的場由數(shù)條以線表示的磁通量構(gòu)成，稱為“B”磁場。這些以線表示的磁通量是電磁器件、電機和發(fā)電機工作的關鍵。沒有電流產(chǎn)生的磁場，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磁場是必不可少的。如果不加以抑制，B磁場會與附近其他器件或?qū)w形成感應電壓，產(chǎn)生EMI即噪聲。

 

圖1: 導體中流過電流產(chǎn)生“B”磁場和 “E”電場

 

另一個垂直的場是 “E”電場或靜電場。E電場就是收集儲存在電容中的能量。它會產(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產(chǎn)生火花放電的原因。E電場使無線電、電視、WiFi、藍牙和蜂窩通信成為可能。電流經(jīng)調(diào)制通過天線產(chǎn)生調(diào)制E電場向空中發(fā)射。這些E電場又會通過接收天線產(chǎn)生電流—解碼為數(shù)據(jù)、語音或視頻信號—進而進行無線通信。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，因為會造成通信干擾。

 

控制EMI

 

E電場和B磁場會造成器件EMI輻射，需要極力遏制。除采用含有接地層的多層PCB，PCB設計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場并對其進行衰減或短路到地，避免器件EMI外漏。

 

圖2: 用來降低電子器件EMI輻射的金屬屏蔽罩

 

由于一個或多個線圈能夠集中B磁場并儲存其能量，或?qū)⑵鋸囊粋€繞組傳送到另一繞組，如變壓器。所以B磁場會使電感元件產(chǎn)生EMI問題，。線圈越多，B磁場密度越高，對周圍器件產(chǎn)生的EMI影響越嚴重。如果電感或變壓器含有開口磁路，或控制磁飽和的磁芯存在很大間隙，B電場會非常容易地輻射到電感體外部，對周圍器件產(chǎn)生噪聲問題。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磁場抑制在電感內(nèi)部，顯著降低電感B磁場泄漏產(chǎn)生EMI。

 

雖然屏蔽電感在抑制B磁場方面很出色，但所有電感都是E電場發(fā)射器，無論其結(jié)構(gòu)如何，這種輻射E電場是設計工程師面臨的問題。電感往往是PCB上電流量最高的組件之一，也是產(chǎn)生E電場密度和輻射EMI最大的器件之一。因此，為了降低電感的EMI，設計師需要在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，這會增加成本并有可能使器件整體尺寸大于預期。

 

圖3: 磁芯電感開口磁路導致B電場泄漏造成EMI

 

IHLE – 控制功率電感器E電場輻射的解決方案

 

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

 

圖4: Vishay新型IHLE電感器采用集成式電場屏蔽減小EMI

 

集成屏蔽器件外形僅比標準IHLP電感器大0.3mm。IHLE集成屏蔽接地時，在1cm距離，電感輻射電場可減小20dB。

 

屏蔽采用銅板設計，優(yōu)化厚度和覆蓋范圍以最大限度衰減電場，同時保持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的效果。

 

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

 

圖中顯示，開口磁路、鼓型磁芯電感器產(chǎn)生的EMI最大，拾波線圈感應到的參考電壓約為3.4mV。IHLP復合電感器本身感應電壓顯著改進，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到的大部分B電場，但感應電壓產(chǎn)生一定程度E電場。這種E電場可通過IHLE采用的集成屏蔽進一步減小，最低讀數(shù)約為0.28mV。

 

顯然，IHLE并沒有完全消除E電場和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，但可以改進功率電感器的輻射EMI。這種改進使設計工程師能夠重新調(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金屬屏蔽罩。

 

由于采用四個接頭，在高度沖擊振動情況下，需要進行機械安全性測量時，IHLE比兩接頭IHLP具有更強的抗振性和抗機械沖擊能力。 

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的任何標準IHLP4040等效電感值。Vishay計劃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感應電動勢低于其他電感器

 

編按：本文作者 Tim Shafer現(xiàn)任Vishay電感器產(chǎn)品營銷副總裁，具有38年磁材和器件工作經(jīng)驗。

 

 

推薦閱讀：