EMC整改所需的基本概念和模型Word格式文档下载.docx
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所有的干扰产生的电动势,都要经过回路进行流动,都存在内阻Rs。
理想状态希望正常电源供电时,内阻为0;
干扰的内阻为无穷大。
1.3电流源
图31电流源
通常不存在理想的电流源。
Rs为电流源的内阻。
通常希望Rs为无穷大,则所有电流都通过RL。
电流源及电压源时为了分析电路时,将电路简化用的。
1.4分压原理
图32分压原理
纯阻性的分压电路的形式如上图所示:
经过分压之后,Vo的输出如下:
阻抗形式的分压电路如下图所示:
图33阻抗形式的分压电路
经过分压之后的电压输出如下:
Z1和Z2都是复数形式的阻抗。
所有的滤波原理都是分压原理的应用。
1.5滤波的基本原理
图34最基本的低通滤波
上图输入和输出之间的关系为:
当
减小时,Vo的幅值也会减小。
即随着ω增加,电容的阻抗逐步减小
因此信号中高频率的成分通过该电路时,幅值就会被大大降低。
同时低频信号能够保持其原来的幅度。
这就是滤波电路的基本作用,滤除无用的频率成分。
滤波电路应用的是阻抗失衡的方式,对无用信号的阻抗大大低于对有用信号的阻抗。
当更换电阻和电容的位置,就变成了高通滤波。
图35高通滤波
输入与输出的关系如下:
当ω为+∞,
=0
Vo=Vi。
含有多种频率成分的信号,通过高通滤波器之后,低频信号被滤除,只有频率较高的部分会通过以上电路。
相同幅值不同频率的信号,通过该电路后,幅值大小也会不一致。
这就是该电路的幅频响应曲线。
不同频率信号衰减的大小是不一样的。
所谓滤除是指特定频率的信号通过该电路之后,被大大衰减了。
将方波信号输入到滤波器中,输出后的波形就会发生很大变化。
对于低通滤波器来说,方波信号经过滤波器后,上升沿变缓。
变缓的原因在于输入方波信号中的高频成分被大大衰减了。
1.6电容模型
理想的电容的阻抗如下所示:
ω为角速度。
随着ω升高,理想电容的阻抗越小。
如果电容并联在回路中,如图所示:
图36并联在回路中的电容
随着干扰信号Vn的频率的提高,由于Zc的阻抗的降低,直接导致有内阻Rs的干扰信号在电容两端形成的压降的降低。
这就是滤波用电容起作用的机制。
实际电容的模型如下图所示:
图37实际电容的模型
其中:
L是引脚等引入的电容,这是PCB引布线及电容引脚引入的电感量。
Rs是ESR,等效串连电阻
C是电容
RL是电容的漏电阻
由于RL非常大,一般在几百兆,可以忽略其影响。
电容的阻抗为:
Z=Rs+jwL+1/(jwC)
|Z|=
公式1
由公式3可知:
当ω=1/
,即f=
时,电容具有最低的阻抗。
f也称为电容的谐振频率。
当ω<
1/
,电容的阻抗大于电感的阻抗,电容呈容性
当ω>
,电感的阻抗大于电容的阻抗,电容呈感性。
当电容的阻抗越小,对干扰的抑制能力就越大。
在谐振频率左右的信号具有最好的滤波效果。
以下是电容的阻抗-频率特性:
图38电容的阻抗-频率特性
随着频率的升高,电容的阻抗逐步减小;
到达谐振频率后,电容的阻抗和电感的阻抗抵消,整个电容的阻抗最小;
当频率继续增大时,电感的阻抗大于电容的阻抗,整个电容的阻抗又继续逐步上升。
因此选取电容时,应当选择要滤除的信号的频率有关。
干扰频率离谐振频率越近,电容的滤波效果就越理想。
常规根据经验选择的0.1uF的去耦电容,并不符合以上原理。
0.1uF只是一个经验值,通常不会出问题。
常用的电解电感由于寄生电感量过大,直接导致其谐振频率过低,不能用于高频滤波的场合。
因此对于所有种类的电容,常常选用陶瓷或者云母电容,主要考虑的就是寄生电感量较小的问题。
1.7电感模型
理想电感的阻抗如下所示:
ZL=jωL
由上式可以推出:
随着ω的逐步升高,电感的阻抗也会越来越大。
因此当电感串连在回路当中时,对高频信号的阻抗非常大。
实际常用的芯片电源滤波方式,就采用电容与电感的配合。
图39电感的模型
实际电感并不是理想的,线圈本身具有电阻,同时线圈绕制时存在寄生电容。
以下是实际电感的模型:
图40实际电感模型
L为线圈的电感
R为线圈的电阻
C为线圈的寄生电容
电感的阻抗如下:
Z=
由于R很小,可以忽略。
C很小,在低频时,形成的阻抗很大,并联在电路中,对电路的阻抗产生的影响很小。
当高频时,电容形成的阻抗逐步减小,并联在回路中,使得电路的阻抗变得很小。
以下是一个电感的频率-阻抗曲线:
图41实际电感的阻抗频率特性
当超过一定频率之后,电感的阻抗逐步被并联分布电容的阻抗主导,阻抗逐步下降,高频信号在电感上产生的压降减小,从而对高频干扰信号的抑制作用减弱。
电感使用时,串连在回路中,使得干扰信号在电感上的压降非常大。
这样就避免了干扰信号叠加在回路的其他敏感的器件上。
由于电感限制了电流的突变,所以当电路急需大量电荷时,可能会因为电感引起电压的降低,这算是电感应用的副作用。
1.8电路小信号模型
对于干扰的分析,需要分析干扰信号的回路。
通常干扰信号均为高频信号。
高频信号的回路的确定可以通过以下规则确定:
⏹电流源断路
⏹电压源短路
⏹阻抗高的电路部分从电路中断开
如果具体到滤波电路,电容和电感就不能看作短路或者断路
具体使用,参考《电子电路分析》等电路分析方面的书籍。
1.9电流路径
查看以下电路:
图44L与R并联的电路
通常的设计中不会采用上图的电路。
该电路主要为了给不同频率的信号提供不同的电流回路。
不同回路的阻抗会有所差异,从而给放大电路提供不同的增益。
对于低频信号,根据分流原理,大部分电流会从低阻抗的通路流过。
由于电感L,低频时呈现低阻抗,几乎所有电流都从L流过,R几乎被短路。
对于高频信号,L表现的阻抗较大,而R的阻抗基本无多大变化。
对于高频信号,几乎大部分电流都从R通过。
以上是针对该模型的分析。
实际的PCB中电流的流动也存在这种现象。
低频信号的回流路线沿两点之间的连线进行传输
而高频信号成分的回路路线则沿着PCB走线下方的参考平面进行流动。
如下图所示:
图45电流的回流路径
因此电路设计中,满足设计中的一些准则,通过控制信号的回流路径,减少RE产生的几率。
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