電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：電感

　　PC板卡上的芯片在工作過程中既是一個(gè)電磁干擾對象，也是一個(gè)電磁干擾源?？偟膩碚f，我們可以把這些電磁干擾分成兩類：串模干擾（差模干擾）與共模干擾（接地干擾）。以主板上的兩條PCB走線（連接主板各元件的導(dǎo)線）為例，所謂串模干擾，指的是兩條走線之間的干擾；而共模干擾則是兩條走線和PCB地線之間的電位差引起的干擾。

　　串模干擾電流作用于兩條信號線間，其傳導(dǎo)方向與波形和信號電流一致；共模干擾電流作用在信號線路和地線之間，干擾電流在兩條信號線上各流過二分之一且同向，并以地線為公共回路。

　　串模干擾和共模干擾

　　如果板卡產(chǎn)生的共模電流不經(jīng)過衰減過濾（尤其是像USB和IEEE 1394接口這種高速接口走線上的共模電流），那么共模干擾電流就很容易通過接口數(shù)據(jù)線產(chǎn)生電磁輻射-在線纜中因共模電流而產(chǎn)生的共模輻射。美國FCC、國際無線電干擾特別委員會(huì)的CISPR22以及我國的GB9254等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等都對信息技術(shù)設(shè)備通信端口的共模傳導(dǎo)干擾和輻射發(fā)射有相關(guān)的限制要求。

　　為了消除信號線上輸入的干擾信號及感應(yīng)的各種干擾，我們必須合理安排濾波電路來過濾共模和串模的干擾，共模電感就是濾波電路中的一個(gè)組成部分。

　　共模電感實(shí)質(zhì)上是一個(gè)雙向?yàn)V波器：一方面要濾除信號線上共模電磁干擾，另一方面又要抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾，避免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。

　　上圖是我們常見的共模電感的內(nèi)部電路示意圖，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，還可以采用多級共模電路來更好地濾除電磁干擾。此外，在主板上我們也能看到一種貼片式的共模電感，其結(jié)構(gòu)和功能與直立式共模電感幾乎是一樣的。

　?。ǘ?、從工作原理看共模電感

　　為什么共模電感能防EMI要弄清楚這點(diǎn)，我們需要從共模電感的結(jié)構(gòu)開始分析。

　　共模電感濾波電路

　　上圖是包含共模電感的濾波電路，La和Lb就是共模電感線圈。這兩個(gè)線圈繞在同一鐵芯上，匝數(shù)和相位都相同（繞制反向）。這樣，當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時(shí)，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場而相互抵消，此時(shí)正常信號電流主要受線圈電阻的影響（和少量因漏感造成的阻尼）；當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時(shí)，由于共模電流的同向性，會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果，以此衰減共模電流，達(dá)到濾波的目的。

　　事實(shí)上，將這個(gè)濾波電路一端接干擾源，另一端接被干擾設(shè)備，則La和C1，Lb和C2就構(gòu)成兩組低通濾波器，可以使線路上的共模EMI信號被控制在很低的電平上。該電路既可以抑制外部的EMI信號傳入，又可以衰減線路自身工作時(shí)產(chǎn)生的EMI信號，能有效地降低EMI干擾強(qiáng)度。

　　小知識：漏感和差模電感

　　對理想的電感模型而言，當(dāng)線圈繞完后，所有磁通都集中在線圈的中心內(nèi)。但通常情況下環(huán)形線圈不會(huì)繞滿一周，或繞制不緊密，這樣會(huì)引起磁通的泄漏。共模電感有兩個(gè)繞組，其間有相當(dāng)大的間隙，這樣就會(huì)產(chǎn)生磁通泄漏，并形成差模電感。因此，共模電感一般也具有一定的差模干擾衰減能力。

　　在濾波器的設(shè)計(jì)中，我們也可以利用漏感。如在普通的濾波器中，僅安裝一個(gè)共模電感，利用共模電感的漏感產(chǎn)生適量的差模電感，起到對差模電流的抑制作用。有時(shí)，還要人為增加共模扼流圈的漏電感，提高差模電感量，以達(dá)到更好的濾波效果。

　　從看板卡整體設(shè)計(jì)看共模電感

　　在一些主板上，我們能看到共模電感，但是在大多數(shù)主板上，我們都會(huì)發(fā)現(xiàn)省略了該元件，甚至有的連位置也沒有預(yù)留。這樣的主板，合格嗎？

　　不可否認(rèn)，共模電感對主板高速接口的共模干擾有很好的抑制作用，能有效避免EMI通過線纜形成電磁輻射影響其余外設(shè)的正常工作和我們的身體健康。但同時(shí)也需要指出，板卡的防EMI設(shè)計(jì)是一個(gè)相當(dāng)龐大和系統(tǒng)化的工程，采用共模電感的設(shè)計(jì)只是其中的一個(gè)小部分。高速接口處有共模電感設(shè)計(jì)的板卡，不見得整體防EMI設(shè)計(jì)就優(yōu)秀。

　　所以，從共模濾波電路我們只能看到板卡設(shè)計(jì)的一個(gè)方面，這一點(diǎn)容易被大家忽略，犯下見木不見林的錯(cuò)誤。 只有了解了板卡整體的防EMI設(shè)計(jì)，我們才可以評價(jià)板卡的優(yōu)劣。那么，優(yōu)秀的板卡設(shè)計(jì)在防EMI性能上一般都會(huì)做哪些工作呢？

　　●主板Layout（布線）設(shè)計(jì)

　　對優(yōu)秀的主板布線設(shè)計(jì)而言，時(shí)鐘走線大多會(huì)采用屏蔽措施或者靠近地線以降低EMI。對多層PCB設(shè)計(jì)，在相鄰的PCB走線層會(huì)采用開環(huán)原則，導(dǎo)線從一層到另一層，在設(shè)計(jì)上就會(huì)避免導(dǎo)線形成環(huán)狀。如果走線構(gòu)成閉環(huán)，就起到了天線的作用，會(huì)增強(qiáng)EMI輻射強(qiáng)度。

　　信號線的不等長同樣會(huì)造成兩條線路阻抗不平衡而形成共模干擾，因此，在板卡設(shè)計(jì)中都會(huì)將信號線以蛇形線方式處理使其阻抗盡可能的一致，減弱共模干擾。同時(shí)，蛇形線在布線時(shí)也會(huì)最大限度地減小彎曲的擺幅，以減小環(huán)形區(qū)域的面積，從而降低輻射強(qiáng)度。

　　主板的蛇形布線

　　在高速PCB設(shè)計(jì)中，走線的長度一般都不會(huì)是時(shí)鐘信號波長1/4的整數(shù)倍，否則會(huì)產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI輻射。同時(shí)走線要保證回流路徑最小而且通暢。對去耦電容的設(shè)計(jì)來說，其設(shè)置要靠近電源管腳，并且電容的電源走線和地線所包圍的面積要盡可能地小，這樣才能減小電源的波紋和噪聲，降低EMI輻射。

　　當(dāng)然，上述只是PCB防EMI設(shè)計(jì)中的一小部分原則。主板的Layout設(shè)計(jì)是一門非常復(fù)雜而精深的學(xué)問，甚至很多DIYer都有這樣的共識：Layout設(shè)計(jì)得優(yōu)秀與否，對主板的整體性能有著極為重大的影響。

　　●主板布線的劃斷

　　如果想將主板電路間的電磁干擾完全隔離，這是絕對不可能的，因?yàn)槲覀儧]有辦法將電磁干擾一個(gè)個(gè)地“包”起來，因此要采用其他辦法來降低干擾的程度。主板PCB中的金屬導(dǎo)線是傳遞干擾電流的罪魁禍?zhǔn)?，它像天線一樣傳遞和發(fā)射著電磁干擾信號，因此在合適的地方“截?cái)唷边@些“天線”是有用的防EMI的方法。

　　“天線”斷了，再以一圈絕緣體將其包圍，它對外界的干擾自然就會(huì)大大減小。如果在斷開處使用濾波電容還可以更進(jìn)一步降低電磁輻射泄露。這種設(shè)計(jì)能明顯地增加高頻工作時(shí)的穩(wěn)定性和防止EMI輻射的產(chǎn)生，許多大的主板廠商在設(shè)計(jì)上都使用了該方法。

　　電感的計(jì)算公式：

　　加載其電感量按下式計(jì)算：線圈公式

　　阻抗（ohm） = 2 * 3.14159 * F（工作頻率） * 電感量（mH），設(shè)定需用 360ohm 阻抗，因此：

　　電感量（mH） = 阻抗 （ohm） ÷ （2*3.14159） ÷ F （工作頻率） = 360 ÷ （2*3.14159） ÷ 7.06 = 8.116mH

　　據(jù)此可以算出繞線圈數(shù)：

　　圈數(shù) = ［電感量* { （ 18*圈直徑（吋）） + （ 40 * 圈長（吋））}］ ÷ 圈直徑 （吋）

　　圈數(shù) = ［8.116 * {（18*2.047） + （40*3.74）}］ ÷ 2.047 = 19 圈

　　空心電感計(jì)算公式

　　空心電感計(jì)算公式：L（mH）=（0.08D.D.N.N）/（3D+9W+10H）

　　D------線圈直徑

　　N------線圈匝數(shù)

　　d-----線徑

　　H----線圈高度

　　W----線圈寬度

　　單位分別為毫米和mH。。

　　空心線圈電感量計(jì)算公式：

　　l=（0.01*D*N*N）/（L/D+0.44）

　　線圈電感量 l單位： 微亨

　　線圈直徑 D單位： cm

　　線圈匝數(shù) N單位： 匝

　　線圈長度 L單位： cm

　　頻率電感電容計(jì)算公式：

　　l=25330.3/［（f0*f0）*c］

　　工作頻率： f0 單位：MHZ 本題f0=125KHZ=0.125

　　諧振電容： c 單位：PF 本題建義c=500.。.1000pf 可自行先決定，或由Q

　　值決定

　　諧振電感： l 單位： 微亨

　　線圈電感的計(jì)算公式

　　1。針對環(huán)行CORE，有以下公式可利用： （IRON）

　　L=N2．AL L= 電感值（H）

　　H-DC=0.4πNI / l N= 線圈匝數(shù)（圈）

　　AL= 感應(yīng)系數(shù)

　　H-DC=直流磁化力 I= 通過電流（A）

　　l= 磁路長度（cm）

　　l及AL值大小，可參照Micrometal對照表。例如： 以T50-52材，線圈5圈半，其L值為