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新型的EMI滤波器BDL的优势与特征

发布时间:2020-02-17 责任编辑:wenwei

【导读】当今高科技产品之所以能迅速向高性能、小型化、复合化方向发展是建立在电子元器件先行实现高性能、小型化、复合化的基础之上的;高性能、小型化、复合化已成为当今世界高科技产品迅速发展的必然趋势。BDL EMI滤波器是其中一个为世人注目的高科技新产品,英文名称BDL(Balanced Dual-Line EMI Filter)它从1999年问世和在美国注册专利以来,已广泛应用于通信、网络、军事、航空、航天、医疗、消费电子、连接器等的电磁兼容领域之中。
 
BDL优势极其明显:
 
● 有极好的差模/共模噪声抑制效果!
● 降低系统噪声转换情况:
 
共模噪声转换成差模噪声会降低系统的抗干扰能力!
 
差模噪声转共模噪声会增加系统往外辐射的能量价格节省将近85%!
 
● 优化PCB面积:>70%!
● 器件体积平均减少73%! 满足超薄设计需求!
● 直接取代共模电感+2-3个滤波电容的传统L-C滤波电路!
● 具有更良好的温度和振动特性,直接达到125 ℃车规级 。
● 用于DC-DC滤波优势明显 。
 
与传统滤波电路28:1噪声幅值抑制;
 
频域噪声抑制最大达41dBuVZ;
 
可同时降低传导/辐射发射。
 
当然“宝刀”赠英雄,方显其锋芒!各路英雄如有意,宝刀秘籍在此取 kang@topleve.com
 
1、BDL EMI滤波器的特色
 
虽然BDL的电原理图和一般的EMI滤波器区别不大,它不过是由两个Y电容和一个X电容构成的一般EMI滤波器而已,见图1a)所示。如果进一步观察它具有结构特征的电理图,就会发现它的与众不同之处,见图1b)。
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037645
 
它具有如下特征:
 
1. 具备标准旁路电容的一切功能。
 
2. 增设两个并联的参考电极G1、G2,他们包围和分离电容的两个电极后构成法拉第屏蔽笼,或构成同轴线结构方式,这种电极配置方式是任何BDL组件所必需的。
 
3. 以上结构特征把原本不平衡的一个单端组件创造性地改造成为一个双端平衡组件,即改造成为由两个标称值完全相等的电容组成。
 
4. 电容的两个电极和参考电极G1、G2的结构尺寸遵循20H设计原则,使向外的电磁辐射减小70%。
 
5. 以上结构特征使BDL的ESR、ESL降到最低。
 
6. BDL平衡组件还具有以下特点:
 
(1)线—地电容匹配(不平衡度在1~2.5以内)。
(2)对温度变化具有对消作用。
(3)对电压变化具有对消作用。
(4)对两个电极具有同等老化的作用。
 
2、BDL EMI滤波器的结构及其装配示意图
 
BDL EMI滤波器的结构是由A、B多层电容器+屏蔽电极构成,如图2a)所示;BDL的内外结构示意图如图2b)所示。
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037645
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037645
 
3、BDL EMI滤波器和常规EMI滤波器的比较
 
以下举常规的双线式和贯通式EMI滤波器和BDL EMI滤波器进行比较,他们的结构和电原理图见图3。
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037645
 
1. 双线式EMI滤波器存在的不足
 
(1)存在串音干扰。
(2)对消作用不理想。
 
2. 贯通式EMI滤波器存在的不足
 
(1)仅为单端。
(2)受到电流的限制。
 
3. BDL EMI滤波器的优点
 
(1)串音抑制性能超群
(2)不受到电流的限制。(因为它是并联使用)
 
分析如下:
 
单线屏蔽的串音抑制效果
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037645
 
如果我们对BDL EMI滤波器中的一个电极记进行屏蔽,那么双线间的串音抑制效果取决耦合电容Cc’和屏蔽层对地搭接阻抗Zb的分压,由于Zb<<Xc’可近似表达为:
 
Zb/Xc’
 
因此,对地搭接阻抗Zb越小,双线间的串音抑制效果越好。
 
双线屏蔽的串音抑制效果
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037645
 
如果我们对BDL EMI滤波器的两个电极都进行屏蔽 ,那么双线间的串音抑制效果可近似表达为:
 
Zb2/Xc1 Xc“
 
因此,双线间的串音抑制效果将进一步得到提高。
 
BDL的串音抑制效果
 
如果我们把两个屏蔽层的间隔减为另并合而为一,结果Xc“将趋于无穷大,为此串音也就不复存在。
 
c.对共、差模噪声的抑制
 
下面举一个正常工作的电路为例,说明由于共模电流引起差模噪声的过程,见图6。
 
具有信号电压Vs和内阻抗Zs的信号源通过特性阻抗Zw的电缆将信号电压Vs传递给负载阻抗ZL;当电路接地的地平面有各种不期望的地电流流过时,在地平面阻抗ZG上的压降Vi就是共模噪声。注意,对于共模噪声Vi存在两个ABCD地电流回路,其中一个地电流回路有回路阻抗Zw;另一个地电流回路有回路阻抗Zs、Zw、和ZL。由于两个地电流回路的阻抗不平衡必然会在负载阻抗ZL上产生压降Vo。Vo就是差模噪声,换句话说由于电路的不平衡共模噪声可以转换为差模噪声。
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037645
 
因此抑制地电流的关键是阻断地电流的传递信道或降低地电流的数量;抑制共模噪声转换为差模噪声的关键是采用平衡电路如采用差分电路等。
 
采用BDL可以解决上述问题的第一种分析方法:是因为它具有阻断地电流噪声和流向电容器A、B电极和将A、B电极上的旁路噪声到地功能,见图7。
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037645
 
关于具有阻断地电流噪声的功能可由图8 BDL电极间的电荷分布情况看到,当地电流企图流向+、-电极时,由于它所产生的磁场和+、-电极电流的磁场相反,所以被阻断。
 
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采用BDL可以解决上述问题的第二种分析方法:是因为BDL能大大减小地电流回路的面积。下面应用右手定则比较常规电容和BDL形成地电流回路面积的区别。
 
图9中的黄色面积是常规电容的地电流回路面积,由地电流流过A、B电极的方向可知,A、B电极所产生的磁力线是相互叠加的;
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037645
 
同样图10中的黄色面积是BDL的地电流回路面积,此地电流回路面积仅由A、B两个电极间的间距所构成,因此地电流回路面积大大减小,由地电流流过A、B的方向可知,A、B电极所产生的磁力线是相减的。
 
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我们也可以用另一种方法来描绘BDL A、B电极所产生磁力线的相互对削过程,见图11。
 
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图11 BDL内部A、B电极磁力线对消和常规标准电容外部磁力线对消的比较
 
由图11看到BDL内部的A、B电极磁力线在中间地电极发生对消;常规标准容C1、C2所产生的磁力线在外部发生对消而在内部磁力线是相互叠加的。
 
所以,对共、差模噪声的抑制BDL也可以采用图12的示意图表示:
 
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采用BDL可以解决上述问题的第三种分析方法:是BDL具有极好的平衡特性,因此抑制地电流的功能也极好。BDL的平衡特性可由以下的测试曲线证实。
 
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图13 BDL两个对称电容在微波夹具中测得的幅值和相位
 
数据显示BDL被试样件为1206 100nF、测量频率30KHz~6GHz,测试结果表明:两个对称电容的幅度误差<0.1dB;相位误差为另。从相位测试中发现在频率26.7967MHz点出现自谐振点。
 
采用BDL差分电路抑制共模噪声向差模噪声转换的具体电路见图14。
 
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d. BDL可以根据不同情况采用不同的电路连接方法(见图17)
 
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图15 BDL不同的连接方法
 
从左到右依次为:差分电路、一个单端电路(将BDL两个相同的电容并联)、两个单端电路(将BDL两个相同的电容分别使用)。
 
要注意BDL 的正确接地方法,见图16
 
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图16 BDL一端接地和两端接地的比较
 
由图16测试曲线可以看出BDL一端接地要比两端接地的插入损耗小,在6GHz处约小20dB、0.045GHz处约小10dB、3GHz处约小15dB,所以频率越高一端接地的插入损耗越小,为了提高BDL的插入损耗性能,正确的接地方法应是两端接地(G1、G2都要接地)。
 
4、BDL EMI滤波器的应用实例
 
1.马达的EMI抑制
 
带防风罩洗涤泵直流马达
 
a.原滤波配置
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037645
图17带防风罩洗涤泵直流马达及原滤波电路和滤波组件
 
b.采用BDL滤波配
 
带防风罩洗涤泵直流马达及BDL滤波电路
 
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c.辐射测试结果的对比
 
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触电刷洗涤器直流马达
 
a.原滤波配置
 
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图22 高速直流马达没有滤波器、应用原滤波器和应用BDL滤波器的辐射(100KHz~1GHz)对比
 
2.单板机
 
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b.抑制EMI的组件—磁珠和BDL的实物图片比较
 
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c.传导测试结果的对比
 
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d.辐射测试结果的对比-1
 
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e.辐射测试结果的对比-2
 
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图27单板机没有滤波器、磁珠、带磁珠BDL、BDL的辐射(200MHz~1`GHz)对比
 
3.连接器的EMI抑制技术
 
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图28显示BDL斜跨并焊接在上下两排插针之间,所以D型插座可利用的插针数为24针。每根插针上都有1/2个BDL滤波器,见图15。
 
4.开关电源的EMI抑制技术
 
a. 开关电源的常规滤波电路和LC组件
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037645
图29开关电源的常规滤波电路
 
为了抑制开关电源的宽频带干扰能量需要组合各种不同值的电容,并要求尽可能小的ESL和ESR。
 
b.开关电源采用BDL的滤波电路
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037645
 
BDL EMI滤波器不仅可以满足上述要求,还可以大大缩小体积。
 
韬略科技经过多年的实际,已经美国原来的推荐应用领域以外积累很多实际应用案例,包括:
 
● 有刷马达降低EMI应用案例
● Qi无线充电产品替代共模电感滤波案例
● 开关电源EMI
● DC Motor
● IC去耦及EMI抑制
● X2Y电容基础-通用
● 电源滤波
● 端口滤波,代替磁环
● 连接器应用
● 散热器EMI抑制
● 网口RJ45
● 音频功放
● 运放
 
本文转载自韬略科技。
 
 
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