07

　　一些重要高壓探頭原理的基本概念

　　1.電磁場

　　電場和磁場總是聯(lián)系在一起的，電場和磁場的混合就是電磁場，英文也專門創(chuàng)建了這么一個單詞（Electromagnetic Field 電磁場），以下圖為例高壓探頭原理：

　　圖中是一小段 PCB 銅箔的截面，大小不斷變化的電流面向正面流進或流出，注意是變化的電流，因此產(chǎn)生了變化的磁場，由此也感應出電場，注意磁場的方向是環(huán)繞銅箔的，而電場是從銅箔指向參考面，參考面為地平面。磁場和電場這個方向特性要記住，在進行 PCB 布線線時為減小對其高壓探頭原理他電路的干擾可適當注意與磁場方向其他導線或電路成某種角度。

　　2.分貝（Decibel）

　　分貝是基于對數(shù)的單位，EMI 測量中都用分貝作為基本單位的，因此對分貝需要有所了解。

　　分貝的基本定義

　　10log10 [測得的功率/單位功率]

　　比如高壓探頭原理：

　　測得 5000mW，則10 log10 [5000mW/1mW] = 37dBmW = 37dBm

　　注意：通常 dBmW 是寫成 dBm 的，其 W 是省略不寫的。

　　如果用 dBW 作為單位，則 37dBm = 7dBW，注意換算關系。

　　而實際 EMC 測量中都是測量的電壓或電流，通常是微伏或微安，最常見的就是 dBuV，這時候的坐標就不是10log 了，而是 20log，需注意。

　　這張表需要大致知道了解一點的

　　特別是表中三個框中的關系要知道，比如信號強度增加一倍則功率增加 3dB，電壓或電流增加了 6dB 。仔細體會一下，信號增加10倍功率增加多少倍，電壓或電流增加多少倍。

　　3.電流的返回路徑

　　電流的返回路徑是非常重要的概念：

　　① 低頻電流按最小電阻路徑返回，高頻信號從最小阻抗路徑返回，這是因為每一段導線都包含電感和電容。通常頻率以 50KHz 為分界線。

　?、?差模電流返回一定有路徑，你把路徑切斷差模電流就沒有了。

　?、?共模電流你一定要給它路徑，你不給路徑它就亂竄，造成嚴重的 EMI 問題。好似流氓，你給他一條生路他就比較太平，你不給他生路他就攪天下不太平。這也是為什么變壓器原邊和附件加Y電容給共模電流提供一條返回路徑。共模電流都是 ｕＡ 級或 ｍＡ 級，電流雖不大，但破壞力驚人。

　?、?差模電流返回路徑的包圍的面積一定要小，面積越大產(chǎn)生干擾信號越大，吸收外界的干擾也大。如圖所示

　　4.時域和頻域

　　時域是真實存在域，我們用示波器觀察到的波形就是典型的時域，所謂眼見為實。

　　頻域是一種數(shù)學構造，是假設用某種波形來構建不同的波形，通常是用正弦波，這不是我們這里要討論的問題。

　　而 EMC 測量都是采用頻域的方式，例如用頻譜儀或 EMI 接收器等。為什么要用頻域的方式測量 EMC呢高壓探頭原理？我們知道，方波可有很多個（或無數(shù)個）正弦波構成，如下圖：

　　但每個正弦波的頻率額幅值是多少呢？用時域的方式測量很難，于是借助于頻譜儀，我們可測得每個波形的幅值及頻率，而這些頻率正是干擾頻率，稱為諧波，其幅值反映了干擾的強度。如圖所示：

　　再次強調(diào)：諧波的頻率是基波的整數(shù)倍。比如 100KHz 的矩形波，其諧波為 300KHz、500KHz 等。

　　5.高頻等效模型

　　接下來分析一下三種無源器件的高頻等效模型：

　?、?電阻的高頻等效模型

　?、?電容的高頻等效模型

　?、?電感的高頻等效模型

　　6.近場和遠場

　　顧名思義，近場就是靠近電磁場，遠場就是遠離電磁場。

　　對 PCB 來說，電流回路一般以磁場為主，而大面積的金屬面（例如鋪銅、散熱器表面）以電場為主，或者說大電流的路徑上以磁場干擾為主而高壓部分則以電場干擾為主，或者說低阻抗路徑以磁場為主而高阻抗路徑以電場為主。因此有時大面積鋪銅散熱需要考慮該散熱面上是否有高壓，有高壓則會產(chǎn)生干擾電場。而大電流導線最好離敏感電路離得遠一點。（恒定電流不會產(chǎn)生干擾磁場，有干擾一定是有變化的電流引起）。至于電磁場強度則通常借助于近場探頭來進行測量。

　　7.品質(zhì)因素 Q

　　電感的品質(zhì)因素，Q 是 Quality 的第一個字母，電感的品質(zhì)因素定義為：

　　由上式可見品質(zhì)因素是與頻率有關的量，在 r 不變的情況下，頻率越高則品質(zhì)因素越高，然后通常我們不太使用 Q 這個量，而通常更關心的是 Rdc，即電感的直流電阻，與電容類似，我們通常關心的是等效串聯(lián)電阻 ESR，而不是 tgδ。

　　電感線圈的直流電阻與電容的 ESR 一樣可通過電橋測得。

　　8.圈數(shù)

　　如何數(shù)電感或變壓器的圈數(shù)？這個問題看似很簡單，試試看如下線圈是幾圈？

　　9.近場探頭

　　探測原理并不復雜，示意圖一看就明白

　　10.三種等效電路

　　電感線圈的三種等效電路（忽略等效電阻）：

　　電感線圈在低頻、諧振及工作頻率高于諧振頻率時會呈現(xiàn)不同的特性，特別是當工作頻率超過諧振頻率是電感不再是電感而變成的電容。圖中的電容是線圈的匝間電容。

　　11.MOS管腳

　　為什么 MOS 管腳上套個磁珠能起到抑制噪聲的作用？

　　雖然大家一直在這么用，但估計很少人會問為什么？我們先看看下面這張圖，這個磁環(huán)中間穿了根導線，你說這導線是饒了幾圈？

　　可能有人會說沒有繞啊，哪來的圈數(shù)？

　　事實上，導線穿過磁環(huán)就是饒了一圈，為什么呢？道理其實很簡單，這根導線如果沒有接入電路那確實是沒有繞，只要一接入電路就是一圈，它總要和電路構成回路，比如我們用電橋測量，如圖，這根導線就和電橋構成了回路，也就是形成了一圈。

　　MOS 管腳上套個磁環(huán)后，MOS 管的腳總是和外電路構成閉合回路，也就相當于 MOS 管腳在磁環(huán)上饒了一圈。由此可見，磁環(huán)的磁導率越高濾波效果越好。

　　12.插入損耗

　　如何評價一個濾波器的性能？通常采用插入損耗來評價。如圖示意圖表示信號 V1 --> V20，V20 表示沒有濾波器時的輸出。

　　為了對 V1 進行濾波于是插入了一個濾波器，將 V1 信號損耗在濾波器上，于是就有了這個名詞叫插入損耗。V2 表示插入濾波器后的輸出。

　　插入濾波后，會有什么結果？V2 一定小于 V20，也就是說插入濾波器后輸出變小了，為何輸出變??？一部分變成熱量、一部分被濾波器擋住返回了，如圖：

　　插入損耗按下式計算：

　　式中：V20 為未加濾波器，V2 為加了濾波器。

　　13.傳導測試方法

　　下圖是實驗室傳導測試的標準方法，建議各位花一分鐘時間看一下，了解實驗室是如何測試傳導干擾的，終身受用。

　　14.輸入端

　　輸入端 LC 濾波器設計注意事項：

　　輸入端LC濾波器的一般形式如下：

　　有于濾波電路中有兩個儲能原件因此是兩階濾波器，這濾波器有個很大的問題，由于無阻尼，因此當干擾信號的頻率達到濾波器的截止頻率時（Cut off），干擾信號不但沒有被抑制反而被放大了，如圖所示：

　　從圖中可以看到，當阻尼系數(shù)為0.1時，干擾頻率在 f0 處明顯被放大。阻尼為0.1時尚且被放大很多，沒有阻尼那更是不得了。

　　f0 = 1/2Π√LC， 為諧振頻率。

　　這可是事與愿違啊，我們本想抑制干擾但由于設計不當干擾非但沒有被抑制反而被放大了，這可不是我們所希望的。

　　當然，阻尼為零的情況是不存在，電感電容總有內(nèi)阻，因此總有些阻尼作用的，但這遠遠不夠，而且不可控。通常采用以下幾種方法解決：

　　方法1：并聯(lián)阻尼法

　　如圖：

　　加阻尼后的幅頻特性

　　可以看出，截止頻率處的尖峰被壓平，也就是說不再使得噪聲被放大。其中電容 Cd 對阻尼不起作用，只是為了隔離輸入電壓以避免電阻產(chǎn)生。

　　方法2：串聯(lián)阻尼法

　　如圖：在電感上并聯(lián)一個電阻與電感串聯(lián)的電路，這稱為串聯(lián)阻尼法，效果與并聯(lián)阻尼相同，不足之處是由于在原電感上并聯(lián)電阻電感后對高頻干擾信號的衰減差一點，這是顯而易見的。事實上大部分的實際應用中 Ld 都被省略了，僅僅在電感上并聯(lián)一個電阻，這個電阻稱為阻尼電阻，目的與前述一樣防止在截止頻率處把干擾信號放大，實際使用中阻尼效果還是不錯的。

　　方法3：串并聯(lián)法

　　這種方法用的人估計不多，了解一下即可，如圖：

　　方法4：Π 濾波器

　　這是用的最多的一種，如圖，通常都僅僅在電感上并聯(lián)一個阻尼電阻，這個阻尼電阻不可少，曾經(jīng)看到有些貼問這個電阻干什么用，有各種說法，但很少有說對的，請記住這個是阻尼電阻，為了消除干擾信號在濾波器的截止頻率處產(chǎn)生尖峰，達到243樓的的幅頻特性的加阻尼后的效果。有人說前面一個 C1 電容可以省去，這個說法不對的，我們前面已講過，每加一個儲能元件 L 或 C，濾波器的階數(shù)并升高一階，對信號的衰減可以增加 20dB / 十倍頻程，pi 濾波器是三級濾波器，把 C1 拿掉后變成了二階，濾波效果會打折扣。

　　15.共模電流

　　共模電流會經(jīng)過負載嗎？

　　答案是否定的，共模噪聲電流對用戶的負載其實沒什么影響，因為共模電流并不流過負載，如圖所示，由于共模電壓 V3 = 0， 因此負載上并沒有共模電流流過，共模干擾信號只會以各種方式到 “地”。

　　16.濾波器的 Q 值

　　Q = Quality，Q 是取 Quality 的第一個字母，是一個無量綱的值，濾波器的 Q 值是一個相當重要的值，理解及取適當?shù)?Q 值 相當重要。

　　濾波器的 Q 值大小表明了能量在濾波器上損耗的大小，并且對濾波器的帶寬有很大的影響。Q 值越大能量損耗越小，這與電感的 Q 值一樣道理一樣，Q 值越大則能量損耗越小于是振蕩衰減越慢，這與反激原邊 RCD 吸收電路一樣，能量的損耗主要依賴電阻。

　　有些電路我們需要高 Q 值，比如振蕩器，Q 值越高越容易起振，比如收音機機調(diào)諧回路，Q 值越高選臺時越不容易串臺，這主要是 Q 值高時-3dB帶寬變狹的緣故。如下圖所示：

　　Q 值定義如下：

　　分子為存在于濾波上的能量

　　分母為每周期消耗的能量

　　或

　　意義如下：

　　雖然是老生常談，但還是要再提一下：

　　? Q< 1/2,，過阻尼。

　　系統(tǒng)損耗很大，施加階躍脈沖后，系統(tǒng)沒有過沖并很快穩(wěn)定下來。

　　? Q > 1/2，欠阻尼。

　　系統(tǒng)損耗很小，如果 Q 率大于1/2，在階躍脈沖作用下，系統(tǒng)會有1次 到 2次的振蕩，隨 Q 值得增大，系統(tǒng)的振蕩次數(shù)會越來越多，理論上如果 Q 值無窮大，則系統(tǒng)將永遠在振蕩。

　　? Q = 1/2，臨界阻尼。

　　系統(tǒng)沒有過沖，在階躍脈沖作用下，會很快趨于穩(wěn)定。

　　關鍵的問題是 Q 取多大為好？

　　答案是 Q = 5-10

　　17.紋波和噪聲

　　常有人描述問題時把紋波和噪聲混為一談。紋波是低頻的，噪聲是疊加在紋波的干擾信號。如圖：

　　More…