最大限度減少功率電感的 EMC 干擾

通常，開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源沒(méi)有功率電感就不能工作。但是，如果您想改善它們對(duì)EMC的性能，可以從幾個(gè)方面入手，包括屏蔽效率、繞組起繞點(diǎn)和開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換。

DC/DC 開(kāi)關(guān)電源在電源管理中至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兛梢詫?shí)現(xiàn)高效的電源供應(yīng)。在這種情況下，功率電感是電源電路的關(guān)鍵元件，盡管開(kāi)發(fā)過(guò)程中通常只會(huì)關(guān)注它的電氣特性，例如 R_DC、R_AC和損耗，電磁輻射特性經(jīng)常被忽視。圖 1 展示的是典型的帶有開(kāi)關(guān) S₁ 和 S₂ 的開(kāi)關(guān) DC/DC 電源電路。

圖 1：典型的具有開(kāi)關(guān) S₁ 和 S₂ 的 DC/DC 電路 

開(kāi)關(guān)電源中的功率電感

在開(kāi)關(guān)電源中，功率電感可以使用各種不同的磁芯材料和繞組類型來(lái)來(lái)設(shè)計(jì)和組裝。此外，功率電感器可分為非屏蔽、半屏蔽或屏蔽三種。每種類型的屏蔽都有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，這決定了其應(yīng)用領(lǐng)域。

開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)過(guò)程在電感兩端產(chǎn)生交流電壓。從實(shí)際角度來(lái)看，電感可以作為環(huán)形天線，電磁輻射取決于許多參數(shù)，包括磁芯、屏蔽材料以及繞組的起繞點(diǎn)。

功率電感的開(kāi)關(guān)頻率及其諧波在100kHz至30MHz較低頻率范圍內(nèi)所發(fā)出的電磁輻射不僅取決于電感的屏蔽，還取決于繞組的特性。相比之下，電磁輻射在較高的頻率范圍（30 MHz 至 1 GHz ）的電磁輻射是由高頻振蕩及其諧波引起的，它更多是由磁芯材料的屏蔽特性、開(kāi)關(guān)頻率和基本設(shè)計(jì)所決定的。

線圈輻射特性

如前所述，DC/DC 電路中功率電感產(chǎn)生的電磁輻射是不可以忽略的，還需要考慮相鄰元件的類型和間距，以及它們對(duì)磁耦合的敏感性，這尤其重要。隨著工程師對(duì)這一潛在 EMC 問(wèn)題的認(rèn)識(shí)不斷增強(qiáng)，元件制造商也通過(guò)推出新產(chǎn)品系列做出了回應(yīng)。除了常規(guī)的非屏蔽電感外，還推出了屏蔽和半屏蔽器件。屏蔽電感將繞組完全密封在磁屏蔽材料制成的結(jié)構(gòu)中。在非屏蔽線圈中，繞組通常是暴露在外，沒(méi)有磁屏蔽。電磁場(chǎng)的傳播不受限制，它們通常是電磁干擾中最強(qiáng)大的干擾源。通常，半屏蔽電感會(huì)將磁屏蔽材料通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂固定在的外露繞組上。用于測(cè)量 DC/DC 開(kāi)關(guān)電源 (DUT) 中的電磁場(chǎng)的測(cè)試設(shè)置如圖 2 所示。

圖2：用于測(cè)量 DC/DC 電源中電磁場(chǎng)的測(cè)試裝置

與半屏蔽和非屏蔽電感相比，屏蔽電感的主要優(yōu)勢(shì)是其電磁輻射相對(duì)較弱。圖 3 展示了這三種屏蔽類型的基本發(fā)射特性。

圖3：非屏蔽、半屏蔽和屏蔽電感的磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

一般而言，工程設(shè)計(jì)的限制因素之一是尺寸。與同等尺寸的非屏蔽電感相比，屏蔽電感具有較低的電感量和飽和電流，以及較高的制造成本。初級(jí)工程師可能傾向于使用非屏蔽電感，因?yàn)槠涑叽绺?、成本更低、飽和電流更高。然而，這種選擇可能會(huì)導(dǎo)致一系列在設(shè)計(jì)階段后期難以解決的 EMC 問(wèn)題。

伍爾特電子是少數(shù)幾家提供半屏蔽電感的制造商之一，這類電感能夠成功地填補(bǔ)在空間要求、電氣特性和 EMC 之間的差距，尤其適用于電感周邊元件對(duì)輻射不會(huì)特別敏感的場(chǎng)景。

如圖 4 所示，尺寸為 8040 的 WE-LQS 半屏蔽功率電感器（744 040 841 00）與尺寸為 7345 的 WE-PD 系列的屏蔽電感（744 777 10）和尺寸為 7850 的 WE PD2 系列的非屏蔽電感（744 775 10）相比，具有出色的飽和特性。

圖4：屏蔽（灰色）、半屏蔽（黑色）和非屏蔽（紅色）電感的飽和特性對(duì)比

繞組起繞點(diǎn)的影響

一個(gè)經(jīng)常被忽視的 EMC 關(guān)鍵特性是繞組的起繞方向，它由電感上的“點(diǎn)”來(lái)標(biāo)識(shí)（圖 5）。將電感標(biāo)有點(diǎn)的一側(cè)盡可能靠近開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)來(lái)連接非常重要，因?yàn)檫@一側(cè)的 dU/dt 值最高，因此干擾也最大。外部繞組會(huì)屏蔽開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)在開(kāi)關(guān)時(shí)電流切換引起的噪音。如果將未標(biāo)記的一端連接到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，則交流正向電壓會(huì)出現(xiàn)在外層繞組。這可能會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的噪音耦合。

圖5：WE-XHMI 和 WE-PD2 電感上標(biāo)示了繞組起繞點(diǎn)

磁屏蔽電感有效屏蔽了磁場(chǎng)輻射，但并不總能屏蔽電場(chǎng)輻射。電場(chǎng)的屏蔽效率取決于磁芯材料的特性和磁導(dǎo)率：磁芯材料越強(qiáng)、導(dǎo)磁性越好，電感的電場(chǎng)屏蔽效率就越高。

關(guān)于作者

Ranjith Bramanpalli 于 2008 年畢業(yè)于馬薩諸塞大學(xué)洛厄爾分校，獲得了電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)兩個(gè)碩士學(xué)位。他目前在伍爾特電子eiSos擔(dān)任產(chǎn)品應(yīng)用工程師。