模拟节省时间、金钱和精力在任何应用程序解决电磁干扰问题。
克里斯Debraal
柯蒂斯的行业
密尔沃基WI
电源线EMI滤波器的插入损耗可以准确地预测在一个广泛的频率通过电路仿真。分析电路时,重要的是要考虑测试模式和阻抗,基本的组件值,和各种寄生元素代表每个组件,以及建设和布局。
公式确定电容器的等效串联电感和电阻,以及inter-winding电容和核心碾轧,将有助于创建组件模型。其他元素有关铅长度、邻近效应和相声将帮助定义系统寄生。这些“建模”组件可以组合成一个完整的原理构建的模拟电路。
操作的基本和寄生组件值将导致性能改进和建议改进设计。比较仿真和实际测试数据将演示如何准确的结果。与完整的电路表示,EMI滤波器的性能可以正确的特点和优化效率。滤波电路模拟可以设置“模仿”实际测试结果,节省时间和金钱在研究和原型。
EMI
电磁干扰(EMI)是一种不可取的电磁发射,导致不同程度的噪声响应故障,或者在电气设备的性能退化。这噪音通常是发现在10千赫至30 MHz的频率范围。减少噪音,EMI滤波器是经常使用。EMI滤波器是一种被动电子设备用于抑制传导干扰出现在任何权力或信号线。过滤器可用于抑制设备本身产生的噪声,以及其他设备所产生的噪声,并改善其电气环境内设备的功能。EMI过滤器组件可以包括抑制共模(线路接地)和差模干扰(相间)。
选择组件
适当的EMI滤波器的设计包括选择合适的组件需要过滤掉任何EMI噪声。这些组件包括电感器和电容器。评估这些组件包括各种细节,必须加以解决,以确保适当的过滤,如inter-winding电容电感线圈内有效串联电阻(ESR)和有效串联电感(英语或引线电感)内的电容器。
示意图
EMI滤波器共模线圈由提高线路接地性能,但也可以用来帮助差模(相间)性能利用线圈的漏电感。线路对地的电容与电感器一起使用来提高模性能,和相间电容是用来获得差模性能。(两线间电阻性能提供任何帮助。它唯一的功能是作为一种安全的泄漏电阻放电L / L电容器在断开过滤器)。
与建设的一个基本的了解EMI滤波器,一个设计师准备下一步通过模拟滤波电路来决定如何过滤器将执行所需的频率范围。大量的软件可用于模拟电路。在这个例子中,作者用PSpice软件和SPICE-compatible模拟器的模拟和数字电子设计自动化。这种类型的软件通常提供的制造商评估版本很容易从网上下载。这些项目非常用户友好的和将允许简单的模拟电路使用AC分析工具,同时设置所需的频率范围和节点进行分析。这个示例中使用的滤波器示意图(图1)所示。
50/50的电路
在每一个图表,将使用一个模拟50/50-Ohm电路(50欧姆阻抗线和负载的过滤器)。这些值作为标准的插入损耗测试方法;因此,有必要在示意图来表示这些值模拟真实的插入损耗测试。
电感器模拟
第一个组件是电感。大多数电感是由环形线圈磁铁线的核心伤口与各种指标。最常见的核心过滤应用程序中使用的材料是铁素体和铁粉。根据核心材料和匝数,电感的性能往往有一个“转出”property-f0,频率的电感开始失去它的性能。这几乎总是指定碾轧值在规范的核心材料。只是找到f0在规范的核心材料,并将其插入到公式所示电路示意图。这个步骤使电感模型更加“真实。“例如,一个5 k-permeability核心材料通常具有一个f0值大约300千赫。这个数字是平方,放入电感模型公式,如图3所示为“1 e11。”
当使用一个共模电感器,过滤器将有不同的性能水平比在差模共模分别模拟两个电路是很重要的。电感器携带标准电感值(最有效模性能),以及漏电感值(差模性能最有效的)。因此,共模电路将代表标准电感,电感模型和差模电路将显示一个电感模型,包括漏电感的值。如果没有测量,漏电感可以假定为1%到2%的共模电感值。两种模型还将包括一个转出的频率公式帮助模拟尽可能接近实际的滤波器。再一次,差模碾轧频率近似常见的30倍。通过使用给定的公式,一个设计师可以“模仿”的实际表现真正的电感线圈,这将导致更精确的仿真结果进行过滤。
Inter-Winding电容
Inter-winding寄生电容是由绕组的接近核心和其他绕组。间的空隙将充当一个电容与电感并联。减少电容的水平越高,越有电感的阻抗在更高的频率。这减少阻抗将允许更自由地通过系统不需要的噪声。因此,更多的寄生电容会降低有用频率的上限。
线圈的匝数是有限的,其核心的内径和多么严格把已经打包在一起。增加电感,曾经的最大转数已达到风线圈在一个平层,设计师必须创造更多的重叠绕组,从而创建多个图层。从相邻,而第一层电容后续层从相邻层额外的电容,从而大大增加inter-winding电容电感。显然,这个巨大的增长,这是至关重要的,包括组件值滤波器模拟并行(电感器)来获得一个更现实的结果表明实际滤波器的性能。图2显示了电容,以及典型的电感线圈的图片和每个转身的空隙层的截面线。
C = kεA / d
在哪里
k =绝缘材料的介电常数(通常5磁铁电线绝缘)
ε=自由空间,介电常数8.55 X 10-12年(F / m)
一个=有效板面积(平方米)
d =分离/层,(m)
在公式中,“一”通常是通过计算大约1/4的磁铁线的直径和长度乘以一个转身的数量,和' d '只是两次磁铁线的绝缘的厚度。这个公式是一个简单的近似和良好的方法找到一个可用的价值inter-winding电容电路仿真。
此外,设计师应该包括的实际电阻电感的线公式。然而,在这个模拟中,只有.055欧姆,影响很小。
现在,所有的寄生信息可以放入示意图。图3显示原理和模拟电感线圈的情节相比,真正的电感线圈。显然,比赛在情节是非常有利的。
电容器引线电感
任何长度的线有一定的电感。因此,电容器领导也会少量的电感与他们有关,这可以很容易地测量。一般来说,一个1/4“电容器的主要措施大约9 nH电感。重要的是包括这引线电感滤波器模拟电路来获得准确的结果。这个电感值将显示与模拟电路中的电容器系列(图4)。作为电容器导致不同的长度,引线电感也会发生变化,所以将电容的谐振频率。显然,最好有一个准确的测量引线电感的基础上导致长度和“塞”,值到电路仿真。
ESR
电容器也与他们相关的阻力称为ESR(有效串联电阻)。这个值通常是指定的规范内的电容器和也将出现在系列过滤器内的组件示意图。一般来说,. 05欧姆是大多数电容器的ESR的合理的假设,在这些电路如图所示。现在,包括适当的引线电感和ESR的电容器系列中,我们分析了电容器模拟和一个真正的电容器的阴谋。
图4显示了一幅相间薄膜电容器用于差模性能,以及模拟结果与真实结果的情节。与电感,故事情节很相似。
模拟完整的过滤器
考虑到所有的组件,我们模拟整个过滤器常见的-和差模。图5和6是两种模式的模拟电路图,以及滤波器情节对比实际滤波器的测试结果。由于模型不解决某些类型的寄生如接地、屏蔽和铁,不切实际的结果可能会远高于100分贝在软件仿真。通常情况下,由于这些特定的寄生,最好的实际性能可能期望从一个最EMI滤波器是80分贝在任何给定的频率(显示为虚线在差模图(图5)。除了限制,微分情节密切匹配和证明模型近似滤波器的插入损耗。
模图(图6)中,共振频率模式匹配,但有同样大小的变化由于寄生,不包括在内。
结论
如图所示在上面的信息中,EMI滤波器可以很容易地模拟帮助节省时间,金钱和精力在任何应用程序解决电磁干扰问题。无论设计,这些模拟将决定所需的确切类型的过滤器和定制设计的理想的地方,时间和材料是有限的。而不是构建无数的原型和测试每个设计,这些模拟创建设计屏幕,而不是在屏幕上的房间里。
克里斯Debraal工作作为一个项目工程师柯蒂斯产业在密尔沃基,WI。他的主要工作职责包括设计、模拟、原型、EMI / RFI帮助建设和过滤器。