【经验】解析如何通过磁环与共模滤波器搭配使用解决EMC辐射问题

时间： 2022-03-31 来源：韬略科技

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本文韬略科技将从常见的电感入手，简单介绍电感的高频特性，再介绍EMC整改过程中常用的两个器件：磁环与共模滤波器，最后通过两个实际案例来说明如何通过磁环与共模滤波器搭配使用解决EMC辐射问题。

电感

电感，如图一所示，一般由线圈和磁芯组成，是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件，具有通直流阻交流的特点。

如图二所示，当恒定电流流过线圈时，根据右手螺旋定则，会形成一个图示方向的静磁场。而电感中流过交变电流，产生的磁场就是交变磁场，变化的磁场产生电场，线圈上就有感应电动势，产生感应电流。

由公式：Z=2πfL，可知频率ｆ越高，阻抗Ｚ越大，频率与阻抗呈现线性相关，但是这只适用于低频电路，在高频条件下，实际还需要考虑电感上的寄生电容，它的存在方式是与电感并联，实际电感等效模型如图三所示：

图中R表示电感的等效电阻，L表示电感量，C表示电感绕线与绕线之间的寄生电容，图四是引用网上Matlab做的电感阻抗特性曲线图：

图中转折点为电感的谐振频率，计算公式为：

电感具有通直流阻交流的作用，常用作储能和滤波器件，对于EMC整改而言，更主要应用其滤波性能。现在我们已经知道可以通过电感进行滤波，但是对于EMC整改而言，我们需要先确定问题点才能进行有效的滤波。那么我们该如何判断辐射来源呢？在实验室，针对板上噪声可以用频谱仪和示波器进行问题排查，而针对通过线缆作为辐射天线的问题点判断，我们可以考虑在线束上加电感进行滤波尝试。但直接加电感操作比较麻烦，选型也不方便，这个时候做一个简易的电感更方便，所需要的仅仅只是一个磁环。

磁环

磁环是一块环状的导磁体，在不同的频率下由不同的阻抗特性，一般在高频是阻抗很小，当频率升高磁环表现的阻抗急剧升高。通过电感部分的内容我们可以知道，电感由线圈和磁芯组成，当我们把线缆绕在磁环上，一个简易的电感便完成了。

磁环有铁氧体磁环和非晶磁环，针对不同频段滤波选用不同材料的磁环，铁氧体磁一般用在高频（18KHz~1MHz以上），非晶一般针对的频率低一点（2KHz~13KHz）。

当噪声是差模噪声时，单线绕磁环可以对噪声产生一定的抑制效果，但是很多时候，如果噪声属于共模噪声时，只对单根导线进行滤波是不够的。

共模噪声模型如图五所示：

如图，由于高频信号与地之间通过寄生电容形成回路，从而在原本的信号回路中多了一个等大同向的共模电流，这部分噪声只对单线加磁环无法有效抑制噪声。可以考虑两根线都各加一个磁环，相当于各串一个电感，但我们有更好的方法：两根线同时绕在同一个磁环上，这就是一个简易的共模滤波器。

共模滤波器

共模滤波器由双线并绕在磁芯组成，工作原理如图七所示：

对于共模电流而言，共模滤波器通过磁通量叠加，对共模电流的抑制更明显，而对于差模电流，磁通抵消，不体现电感特性，故不会对差模信号造成损耗。在实际的EMC问题中，辐射很多时候都是由共模与差模噪声叠加在一起的。其中，由于在电路中高频串扰更明显，所以共模噪声很多时候是造成EMC辐射超标的主要问题。整改过程中，通常会在线束上以双线并绕在磁环上的方式组成简易共模滤波器，进而快速判断噪声的辐射路径。

当我们通过磁环找到问题点之后，接下来需要做的便是着手整改，针对共模噪声，最大的杀器便是共模电感，以下是实际整改中通过磁环进行问题排查以及共模滤波器进行实际整改的案例。

案例分享

案例1：扫码枪

问题：时钟辐射超标

整改：时钟源头是扫描摄像头sensor返回给主IC的时钟信号，通过对USB端口套磁环，有明显改善，说明时钟信号耦合到USB端并通过USB线束辐射出去，可以通过共模电感进行噪声抑制。

整改措施如下：

整改前数据：

套磁环后数据：

加共模后数据：

例2：吸尘器

问题：当滚刷电机工作的时候，在50MHz~100MHz频段会出现包络状辐射超标问题。

整改：通过对主板端到电机的供电线束套磁环，有明显改善，可以通过在主板端加共模滤波器进行滤波处理。

整改措施如下：

整改前数据：

整改后数据：

总结

在EMC整改过程中，会有一些常用的整改器件，在本篇主要提及了电感、磁环和共模滤波器，其中磁环主要是用来快速确定辐射路径。利用磁环与单线进行绕制可以制作简易的电感，用于判断差模干扰。利用磁环与双线进行绕制可以制作简易的共模电感，可以判断共模噪声。当确定了噪声辐射路径之后，下一步便可以着手进行整改，选择合适的电感或者共模滤波器对噪声进行抑制。

EMI三要素包括干扰源，耦合路径和敏感设备，这里通过磁环进行问题排查主要是从耦合路径入手处理EMC问题。面对越来越复杂的电磁环境，EMC问题永远没有固定解，需要综合考虑多种因素，在这方面，韬略科技经过长期与客户一起处理EMC问题，已经积累了大量实践经验，可以助各位工程师在EMC整改方面一臂之力。

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