對于一個電子系統在實現需求功能的同時要控制電磁干擾（EMI）其實是一個重要且復雜的過程。世界各國的監管機構正在對電子系統的EMI問題采取嚴格的限制，這是因為在工業、商業以及消費類市場日益增長的電子設備數量，使得電磁兼容性設計（EMC）成為產品設計生產的一個必要環節。也就是說，各種電子系統在同一個環境下不產生干擾或者受到干擾后能正常運行，這種要求對工程師的能力提出了更高的要求。

01

噪聲輻射及抗干擾

“防止設備發出噪聲”被稱為“抑制發射”。“發射”意味著“從設備中發出噪聲”。“防止設備受到噪聲影響”被稱為“對噪聲的免疫”，“免疫”意味著“設備在不發生故障（性能下降）或損壞的情況下對噪聲的抵抗能力”。雖然“EMS”（電磁敏感性）也用于指設備對噪聲的敏感性，但“免疫”通常作為“發射”的反義詞使用。

“EMC”（電磁兼容性）意味著不同的電子設備和系統在同一電磁環境中能夠共存并正常運行，而不會相互干擾。它涉及確保電子設備對外部電磁干擾具有免疫能力，并且不會發射過多的電磁輻射干擾其他設備和系統。EMI（電磁干擾）意味著在電子系統中，由于電磁場的相互作用而引起的各種不良影響。這些影響可能包括電子設備的誤操作、數據傳輸中的錯誤、信號質量下降等。

02

噪聲的傳播路徑

噪聲從源頭發出后，通過許多復雜的路徑傳播，有時通過導體傳輸，有時以輻射形式傳播。當噪聲到達設備或裝置時，該設備或者裝置就會受到噪聲的影響。

03

噪聲抑制的原理

為了正確地抑制噪聲，我們必須了解噪聲的來源和傳播方式。如果最初的檢查不準確，我們無法判斷噪聲抑制技術是否失敗，或者該技術是否應用在了錯誤的來源上。噪聲抑制的原則是針對傳導噪聲使用EMI濾波器，針對輻射噪聲使用屏蔽措施。

04

用EMI濾波器抑制噪聲的方法

為了使用EMI濾波器來抑制噪聲，有以下三種方法可供選擇：

1.使用不同的頻率來區分信號和噪聲。

2.在信號和噪聲之間使用不同的傳導模式。

3.使用非線性電阻器（壓敏電阻器）來抑制高電壓浪涌

05

典型的濾波器

用于EMI的濾波器被分為以下四種類型：

低通濾波器（LPF）：該濾波器通過低于指定頻率的信號，但衰減高于指定頻率的信號。

高通濾波器（HPF）：該濾波器通過高于指定頻率的信號，但衰減低于指定頻率的信號。

帶通濾波器（BPF）：該濾波器僅通過指定頻率范圍內的信號。

帶阻濾波器（BEF）：該濾波器不通過指定頻率范圍內的信號。

大多數從電子設備中發射的噪聲頻率高于電路信號。因此，通常使用低通濾波器作為電磁干擾（EMI）濾波器，它只通過低于指定頻率的信號，并衰減高于此頻率的信號。

06

插入損耗

電磁干擾（EMI）濾波器的抑制噪聲性能是根據MIL STD-220規定的插入損耗測量方法進行測量的。通過在負載上插入濾波器和不插入濾波器時測量電壓，并使用上述表達式確定插入損耗。插入損耗的單位用dB（分貝）表示。例如，當插入損耗為20 dB時，噪聲電壓降低到十分之一。

這個測量是在輸入/輸出阻抗為50Ω（50Ω系統）下進行的。然而，在實際電路中，輸入/輸出阻抗并不是50Ω，因此濾波器的性能會與50Ω系統有所不同。

07

低通濾波器

最基本的低通濾波器包括以下兩個組件：

1.在信號線和GND線之間安裝一個電容器。（隨著頻率的增加，電容器的阻抗變得更低。因此，噪聲被迫通過旁路電容器流向GND。）

2.在信號線串聯安裝一個電感器（線圈）。隨著頻率的增加，電感器的阻抗增加，防止噪聲流入信號線。

08

低通濾波器-數值與插入損耗的關系

在EMI問題出現的頻帶中，每當頻率增加十倍時濾波器的插入損耗，將增加20 dB。當濾波器的數值（電容器的電容或電感器的電感）增加十倍時，濾波器的插入損耗將增加20 dB。從增加插入損耗的角度出發，可以使用組合濾波器。

09

濾波器的輸入輸出阻抗

如上圖所示，插入損耗是在輸入和輸出阻抗為50Ω的條件下進行測量的。然而，實際電路的阻抗并非都是50Ω。濾波器的實際效果取決于所在的電路的阻抗。一般來說，電容器在高阻抗電路中更有效地抑制噪聲，而電感器在低阻抗電路中更有效。

10

電容的插入阻抗特性

本文描述了電容型EMI波器的必要性和性能。理想的電容器插入損耗隨著頻率增加而增加。然而，實際的電容器插入損耗會在頻率達到一定值（自諧振頻率）后開始下降。

11

電容的插入阻抗特性

電容器的插入損耗會在頻率達到自諧振頻率后開始下降，這是由于引腳等效串聯電感和電容器電容串聯。由于噪聲無法通過旁路電容器傳遞到地線，所以插入損耗會下降。插入損耗開始下降的頻率被稱為自諧振頻率。

12

ESL的影響

當ESL相同時，無論電容器的電容值增加或減少，插入損耗在超過自諧振頻率的頻率下都不會改變。因此，為了在超過自諧振頻率的高頻率下實現更好的噪聲抑制，必須選擇具有較高自諧振頻率（即ESL較小）的電容器。

13

典型電容的插入損耗特性

上圖顯示了典型電容器插入損耗測量的示例。對于引線式電容器，插入損耗是將引線剪斷至1毫米進行測量的。

14

電容ESL的典型值

上表顯示了電容器的典型ESL值，這些值是從13部分電容典型插入損耗圖所示的阻抗曲線計算得出的。

ESL的數值因電容器類型而異。同一類型的電容器中，ESL也可能因介質材料和電極結構的不同而有所變化。

15

三端電容結構

對于引線式的雙端電容器，ESL較大，因為引線起到了電感的作用。

通過采用三端結構，ESL降低了。因此，插入損耗比兩端電容器更低。

16

典型三端特片電容

上圖顯示了貼片三端電容器的結構模型。每個介質片上都有電極。輸入和輸出端子分別位于兩端，并通過電極連接。這種結構允許信號電流通過電容器。通過在兩側接地，減少了對地端上的ESL。這種結構具有非常低的ESL，提供了更高的自諧振頻率。

17

穿心電容

還有一種電容器的結構，其中地電極環繞介質，信號端子穿過介質。通過在屏蔽殼上開孔，并將地電極直接焊接到屏蔽殼（板）上，使用饋通電容器。由于這種類型的電容器在地端和信號端都沒有ESL，它可以提供幾乎理想的插入損耗特性。

18

等效串聯電阻的影響

導致電容器特性不理想的第二個因素是等效串聯電阻（ESR）。由于電極和材料引起的ESR會導致插入損耗降低。陶瓷電容器的ESR非常低，而鋁電解電容器的ESR較高。

19

非理想電感的影響

前文已經說明了由于等效串聯電感和等效串聯電阻的存在，所以電容器的插入損耗并不理想。電感器的插入損耗實際也不會理想。當頻率超過自諧振頻率時，電感器的阻抗開始降低，因為隨著頻率的增加，雜散電容的阻抗也會降低。因此，噪聲會繞過電感器。

20

鐵氧體磁珠電感

通常用于電感器型EMI濾波器的引線磁珠電感器具有簡單的結構，其中進線端子穿過磁珠芯，可以減小串擾電容。上圖（b）顯示了阻抗特性的一個例子。該圖表明，由于串擾電容較小，這種類型的電感器具有優異的特性，其自諧振頻率為1 GHz或更高。

21

了解鐵氧體磁珠電感

除了小的雜散電容之外，磁珠電感器還有另一個特點，就是在高頻下，這種類型的電感器不再作為電感器工作，而是作為電阻器，將噪聲以熱的形式耗散。

上圖顯示了磁珠電感器和線圈在高頻濾波電路中所展示的阻抗曲線的示例。"Z"代表阻抗，"R"代表電阻。在磁珠電感器中，"R"值較高。

22

貼片鐵氧體磁珠電感結構

上述圖示了貼片磁珠電感器的結構。電極被印刷在磁珠片上，形成通孔電極。這些片材被疊放在一起形成貼片電感器。當需要更大的阻抗時，每片上的電極通過通孔相連，形成繞線電極類型的貼片電感器。

與一般的電感器不同，這兩種芯片類型的設計使雜散電容較小。

23

貼片鐵氧體磁珠電感的阻抗特性

對于磁珠電感器來說，阻抗的變化取決于材料和內部結構。上述圖表顯示了隨著阻抗變化而變化的信號波形的示例。信號頻率為10 MHz。在選擇磁珠電感器時，需要考慮噪聲頻段的阻抗以及阻抗梯度。

24

差模和共模噪聲

根據傳導模式，噪聲可分為兩種類型。

1.第一種類型是差模噪聲，它在信號（VCC）線和GND線上相反方向傳導。可以通過在信號線或電源線（VCC端）上安裝濾波器來抑制這種噪聲，正如前文中所提到的。

2.第二種類型是共模噪聲，它在所有線路上以相同的方向傳導。例如，對于交流電源線來說，噪聲會在兩根線路上以相同的方向傳導。而對于信號電纜來說，噪聲會在電纜中的所有線路上以相同的方向傳導。

因此，為了抑制這種類型的噪聲，需要在所有傳導噪聲的線路上安裝EMI濾波器。

在上述示例中，采用了以下兩種抑制方法：

1.通過分別在信號線和GND線上安裝電感器來抑制噪聲。

2.使用電容器將金屬外殼連接到信號線上。這樣，噪聲會按照以下順序返回到噪聲源：信號/GND線路 ? 電容器 ? 金屬外殼 ? 雜散電容 ? 噪聲源。

25

通過共模扼流圈抑制噪聲(1)

共模扼流圈用于抑制共模噪聲。這種類型的線圈是通過在一個鐵氧體磁心上繞制信號線或電源線而制成的。

由于磁通流經鐵氧體磁心內部，共模扼流圈對共模電流起到電感器的作用。因此，使用共模扼流圈可以提供更大的阻抗對抗共模電流，并且比使用多個普通電感器更有效地抑制共模噪聲。

26

通過共模扼流圈抑制噪聲(2)

由于磁通在鐵氧體芯中相互抵消，差模電流不會產生阻抗。磁飽和問題很小。共模扼流圈適用于具有大電流流動的線路上的共模噪聲抑制，例如AC/DC電源線路。由于它們不會影響信號波形，因此也適用于信號波形失真會引起問題的線路上的共模噪聲抑制，例如視頻信號線路。

上述圖表顯示了直流共模扼流圈的阻抗特性示例。實際特性還包含差模阻抗，必須考慮到這一點當電路中使用共模扼流圈時信號波形顯著改善的時候。

27

直流電路的噪聲抑制示例

上圖顯示了直流電路中噪聲抑制的一個例子。

直流電源輸入部分：

在直流電源線路的輸入部分安裝了一個共模扼流圈來抑制共模噪聲。（這個線圈可以用兩個鐵氧體磁珠電感器代替。）通過在供電線路上安裝三端電容和鐵氧體磁珠電感器來抑制差模噪聲。

視頻信號輸出部分：

通過使用共模扼流圈來抑制傳輸到視頻信號輸出部分的共模噪聲。

28

交流電源電路的噪聲抑制示例

上面的圖示是一個交流電源電路中噪聲抑制的例子。

通過在每條線路和金屬外殼之間安裝共模扼流圈和電容（旁路電容或Y電容），可以抑制共模噪聲。Y電容將噪聲按以下順序返回到噪聲源：Y電容?金屬外殼?雜散電容?噪聲源。

通過在供電線路上安裝電容器（X電容器），可以抑制差模噪聲。

29

壓敏電阻抑制浪涌保護電路

電壓變阻器被用于保護電路免受高電壓浪涌的影響。

當高電壓浪涌作用于電路時，通常會對電路造成災難性后果。可以在信號線上安裝電容器，但是這個電容器不能抑制高壓浪涌。

因此，當需要對電路進行浪涌保護時，會使用電壓變阻器作為電壓保護設備。當施加的浪涌超過指定電壓（電壓變阻器電壓）時，電壓變阻器將抑制電壓以保護電路。

30

壓敏電阻特性

當浪涌電壓不超過電壓變阻器的電壓時，電壓變阻器起作用類似于電容器。然而，當浪涌電壓超過電壓變阻器的電壓時，電壓變阻器兩端的阻抗急劇下降。由于電路的輸入電壓取決于電壓變阻器的內部電阻和線路阻抗，電壓變阻器兩端阻抗的降低使得突波電壓被抑制。

電壓變阻器選擇的一個關鍵點是它能夠承受峰值脈沖電流。峰值脈沖電流是指在5分鐘間隔內，即使在脈沖上升寬度為8微秒、半寬度為20微秒的情況下，電壓變阻器的電壓變化不超過10%的最大電流。如果峰值脈沖電流額定值不足，則電壓變阻器可能會受到損壞。

審核編輯：黃飛

?