电磁兼容设计中无法忽视的高频效应
概括
电磁兼容问题常常发生在高频条件下，除了个别问题（电压下降和瞬时中断等）。 因此，我们在电磁兼容设计中必须有高频思维。 总之，我们需要关注高频条件下器件和电路的特性。 它们在高频条件下和正常频率条件下是不同的。 如果我们仍然按照普通的工程思维去判断和分析，就会导致设计上的误区。
一个电容器
在中低频或直流的情况下，电容器是储能元件，仅表现出电容器的特性。 然而，在高频的情况下，它不仅仅是一个电容器。 它具有理想电容器的特性，在高频等效电路上有漏电流（如R所示），有引线电感，以及在电压脉冲波动下引起发热的ESR（等效串联电阻），如图所示:
从这张图分析可以帮助我们设计师得出很多有用的设计思路。
首先，按照常规思维，Z=1/(2πfC)，Z为电容器的容抗。 应该是频率越高，容抗越小，滤波效果越好。 即频率越高，杂波越容易排出。 ， 但这种情况并非如此。 由于引线电感的存在，电容器只有在其1/2πfc=2πf L方程成立时，其整体阻抗最小，滤波效果最好。 频率越高，频率越低。 过滤效果降低。 由此我们可以分析得出为什么要在IC的VCC端加两个电容，一个电解电容和一个瓷片电容。 电容值一般相差100倍以上，以增加电容器的滤波带宽。
解决方案：
使用BDL滤波器代替原来的多个普通去耦电容。
BDL是新一代电容器。 在高频时，BDL的专利内部结构大大降低了高频寄生效应。由于其平衡的内部结构，在高频时具有更好的滤波和去耦效果。
要了解BDL的平衡特性，首先要了解其物理结构。 从图中可以看出：
标准旁路电容器由连接到 A 极和 B 极的交替平行电极板组成。 BDL 添加两个平行的参考电极 G1 和 G2。 它们平行印刷在A、B电极之间，形成法拉第屏蔽笼或同轴线结构，以达到平衡并降低其自身的ESL。
这种专利结构给我们带来的是BDL比普通电容器具有更宽的滤波频带。 原本需要多个普通电容的滤波频段，现在只需一个BDL滤波器即可解决，穿芯滤波器也有类似的结构。 电容不受流量限制。
两个电感
电感器和电容器是有点相反的器件，一个“通低阻高”； 另一个“高过低阻力”。 如果暂时忽略分布电容，则电感的阻抗主要由两部分组成：一部分是电阻分量（R），另一部分是感抗分量（fL），即：
Z=2πfL
电阻分量来自电感器周围导线的电阻和磁芯的损耗。 作为用于抑制电磁干扰的电感器，期望电阻成分尽可能大。 因为电阻可以将干扰能量转化为热量并将其散发出去，而感抗只能将干扰能量反射回信号源。
虽然电感器的阻抗在形式上随频率而增加，但在不同的频率范围内其特性却完全不同。
频率很低时：磁芯的磁导率高，电感器的电感量大，电感器的电阻成分小，阻抗主要是感抗。 是一种具有低损耗、高Q值特性的电感器。 频率较高时：随着频率升高，磁芯的导磁率降低，导致电感器的电感量减小，感抗分量减小。 然而，当磁芯损耗增加时，电阻成分增加，并且阻抗变得由电阻成分支配。 因此，当高频信号通过铁氧体时，电磁能以热的形式耗散。
解决方案：
无论是共模电感还是差模电感，磁芯材料是选择的关键点。 用作差模电感磁芯时，磁芯材料的饱和特性最为重要。 作为共模电感磁芯使用时，往往更关心磁芯材料的磁导率。
差模电感磁芯的材料一般有两种：一种是铁粉磁芯，另一种是铁镍钼磁芯。 铁粉芯较便宜，但在400Hz电流条件下使用时可能会出现过热问题。 这两种材料最大的优点就是不易饱和。 但导磁率较低。
共模电感磁芯材料主要是铁氧体材料，常用的两种是锰锌铁氧体和镍锌铁氧体。 锰锌铁氧体的直流磁导率虽然较高，但随着频率的升高而迅速下降； 另外，由于这种磁性材料的导电性好，会在绕组和铁芯之间产生较大的分布。 电容，所以只适用于低频场合。 镍锌铁氧体的直流磁导率较低，但可以维持到更高的频率。 另外，这种磁性材料电阻较大，适用于频率较高的场合。
三根电缆和 PCB 布线
PCB布线的高频等效特性（如图），无论高频还是低频，走线电阻客观存在，但对于走线电感来说，只能在较高频率下才能看到。 此外，还有分布电容。 然而，当导线附近没有导体时，这种分布电容就没用了。 就像女人没有男人就无法生孩子一样，这是一个需要两个指挥者的功能。 影响。 因此，重点关注由电缆或 PCB 布线引起的共模噪声。
共模辐射是由电路中存在不需要的电压降引起的。 该电压降使系统的某些部分处于高电位共模电压。 当外部电缆连接到系统时，外部电缆会受到共模电压的影响。 激励会产生辐射电场的天线。
因此，在设计设备时必须考虑外部电缆的过滤以及内部线束的布局和排列。
解决方案：
1.控制电缆长度
在满足使用要求的前提下，尽量使用短电缆。 但线缆长度往往受到设备间连接距离的限制，无法随意缩短。 而且，当电缆长度无法减少到小于1/2波长时，减少电缆长度的效果并不明显。
线缆之间的距离不能太近，否则信号线之间会因导线分布电容的存在而产生串扰。 当然，信号线与地线的耦合最好是更近一些。 这样，信号线上的波动干扰就可以很容易地泄到地线上。
2.降低共模电压
降低共模电压以降低共模电流。 当共模环路阻抗一定时，降低共模电压可以降低共模电流。
(1) 在电缆接口处设置干净的地：干净的地没有噪声电压。 将电缆连接到此地可以有效降低共模电压。 通常，将与金属底盘进行干净的连接，以进一步降低共模电压。
(2)使强干扰电路远离I/O口：高速数字脉冲电路、振荡电路、时钟电路等工作时会产生强干扰。 这些电路应尽可能远离I/O接口电路，以防止耦合到I/O接口的干扰。 /O 电缆，
(3)屏蔽内部电缆：当内部电缆较长时，更容易感应出较高的共模电压。 这种情况下，可以对内部电缆进行屏蔽，并且屏蔽层和金属底盘需要以低阻抗连接。
3、增加共模电流环路阻抗
（1）断开电路板与机箱（仅对低频段有效）；
(2) 在电缆上或接口端串接共模扼流圈：共模扼流圈可以对共模电流形成较大的阻抗，但对差模信号没有影响，因此使用非常简单并且不需要考虑信号失真。 问题，并且共模扼流圈不需要接地，可以直接添加到电缆上。
4.共模滤波
解决电缆辐射问题还有一个有效的办法，就是对电缆进行共模滤波。 共模滤波的原理是利用低通滤波滤除电缆上的高频共模电流分量。 这些高频电流是电缆辐射问题的主要原因。
5. 屏蔽电缆
屏蔽层直接阻挡电缆中差模信号回路的差模辐射； 为共模电流返回共模噪声源提供了路径，减小了共模电流的环路面积。
使用屏蔽电缆控制共模辐射的关键是为共模电流提供低阻抗路径，使共模电流流过屏蔽层回到共模电压源。 电缆屏蔽层提供的共模电流路径的阻抗由下式给出： 它由两部分组成：一部分是屏蔽层本身的阻抗；另一部分是屏蔽层本身的阻抗。 另一部分是电缆屏蔽层与金属底盘之间的重叠阻抗。 因此，要形成低阻抗路径，不仅电缆本身的屏蔽层质量要好（射频阻抗低），而且电缆屏蔽层与金属底盘之间的重叠阻抗必须低至可能的。 确保电缆屏蔽层与机箱之间低阻抗重叠的方法是将屏蔽层与机箱在 360° 范围内连接。 换句话说，电缆的屏蔽层和金属机箱形成完整的屏蔽，无论机箱是否接地。
综上所述，本文重点讨论了电路设计中不可忽视的一些高频效应，并提出了一些有效的解决方案。 希望对大家后续的产品设计有所帮助。
参考
【1】电磁兼容（EMC）技术详解及应用实例/张亮—北京：电子工业出版社，2014.4
[2] 淘略科技内部培训资料/内部-深圳：深圳市淘略科技有限公司，2017.6
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