X2Y电容滤波器辐射发射解决方案

2018-04-29 12:07

 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。X2Y EMI滤波器是其中一个为世人注目的高科技新产品,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。 


一、X2Y EMI滤波器的特色 

    虽然X2Y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)。  

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X2Y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X2Y的ESR、ESL降到最低。 
6、  X2Y平衡组件还具有以下特点: 
a)       线-地电容匹配(不平衡度在1~2.5以内) 
b)      对温度变化具有对消作用。 
c)      对电压变化具有对消作用。 
d)      对两个电极具有同等老化的作用。 

二、X2Y EMI滤波器的结构及其装配示意图 

    X2Y 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;X2Y的内外结构示意图如图2b)所示。  




三、X2Y 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X2Y EMI滤波器进行比较,他们的结构和电原理图见图3。  


1、双线式EMI滤波器存在的不足 
a)       存在串音干扰。 
b)      对消作用不理想。 
2、  贯通式EMI滤波器存在的不足 
a)       仅为单端。 
b)      受到电流的限制。 
3、  X2Y EMI滤波器的优点: 
a)       串音抑制性能超群 
b)      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  


   如果我们对X2Y 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



如果我们对X2Y 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。 

    X2Y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。  

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X2Y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。  



关于具有阻断地电流噪声的功能可由图8 X2Y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。  



   采用X2Y可以解决上述问题的第二种分析方法:是因为X2Y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X2Y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;同样图10中的黄色面积是X2Y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。 

    我们也可以用另一种方法来描绘X2Y A、B电极所产生磁力线的相互对削过程,见图11。  

图11 X2Y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X2Y内部的A、B电极磁力线在中间地电极发生对消;常规标准电容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X2Y也可以采用图12的示意图表示:  



采用X2Y可以解决上述问题的第三种分析方法:是X2Y具有极好的平衡特性,因此抑制地电流的功能也极好。X2Y的平衡特性可由以下的测试曲线证实。  
图13X2Y两个对称电容在微波夹具中测得的幅值和相位
图13 X2Y两个对称电容在微波夹具中测得的幅值和相位

数据显示X2Y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X2Y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。  



d)X2Y可以根据不同情况采用不同的电路连接方法,见图17。  

图15 X2Y不同的连接方法 
图15 X2Y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X2Y两个相同的电容并联)、两个单端电路(将X2Y两个相同的电容分别使用)。 
※要注意X2Y 的正确接地方法,见图16
图16 X2Y一端接地和两端接地的比较
    由图16测试曲线可以看出X2Y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X2Y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)。 

四、X2Y 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  

图17 带防风罩洗涤泵直流马达及原滤波电路和滤波组件
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X2Y滤波配
带防风罩洗涤泵直流马达及X2Y滤波电路  

c)辐射测试结果的对比  



三接触电刷洗涤器直流马达 
a)       原滤波配置  






图22#2高速直流马达没有滤波器、应用原滤波器和应用X2Y滤波器的辐射(100KHz~1GHz)对比

2、单板机(电池供电单板EMI抑制技术 )


b) 抑制EMI的组件-磁珠和X2Y的实物图片比较  


c) 传导测试结果的对比  


d)辐射测试结果的对比-1  



e)辐射测试结果的对比-2  

图27单板机没有滤波器、磁珠、带磁珠X2Y、X2Y的辐射(200MHz~1`GHz)对比 
图27单板机没有滤波器、磁珠、带磁珠X2Y、X2Y的辐射(200MHz~1`GHz)对比  

2、连接器的EMI抑制技术  

 图28显示X2Y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X2Y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  

      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X2Y的滤波电路  



    X2Y EMI滤波器不仅可以满足上述要求,还可以大大缩小体积。 

五、X2Y EMI滤波器的常用规格和插入损耗曲线  



从X2Y插入损耗曲线可以看到,100KHz插入损耗≥20dB的电容量要求≥220nF,规格为1206/50V。目前最大的电容量规格为1.2 /25V。因此对于<100KHz的干扰频率,X2Y的应用会受到限制。