如何使用EMI濾波器來(lái)抑制噪聲

對(duì)于一個(gè)電子系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)需求功能的同時(shí)要控制電磁干擾（EMI）其實(shí)是一個(gè)重要且復(fù)雜的過(guò)程。世界各國(guó)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)正在對(duì)電子系統(tǒng)的EMI問(wèn)題采取嚴(yán)格的限制，這是因?yàn)樵?a target="_blank">工業(yè)、商業(yè)以及消費(fèi)類市場(chǎng)日益增長(zhǎng)的電子設(shè)備數(shù)量，使得電磁兼容性設(shè)計(jì)（EMC）成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一個(gè)必要環(huán)節(jié)。也就是說(shuō)，各種電子系統(tǒng)在同一個(gè)環(huán)境下不產(chǎn)生干擾或者受到干擾后能正常運(yùn)行，這種要求對(duì)工程師的能力提出了更高的要求。

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噪聲輻射及抗干擾

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

“EMC”（電磁兼容性）意味著不同的電子設(shè)備和系統(tǒng)在同一電磁環(huán)境中能夠共存并正常運(yùn)行，而不會(huì)相互干擾。它涉及確保電子設(shè)備對(duì)外部電磁干擾具有免疫能力，并且不會(huì)發(fā)射過(guò)多的電磁輻射干擾其他設(shè)備和系統(tǒng)。EMI（電磁干擾）意味著在電子系統(tǒng)中，由于電磁場(chǎng)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(shè)備的誤操作、數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤、信號(hào)質(zhì)量下降等。

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噪聲的傳播路徑

噪聲從源頭發(fā)出后，通過(guò)許多復(fù)雜的路徑傳播，有時(shí)通過(guò)導(dǎo)體傳輸，有時(shí)以輻射形式傳播。當(dāng)噪聲到達(dá)設(shè)備或裝置時(shí)，該設(shè)備或者裝置就會(huì)受到噪聲的影響。

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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(lái)源和傳播方式。如果最初的檢查不準(zhǔn)確，我們無(wú)法判斷噪聲抑制技術(shù)是否失敗，或者該技術(shù)是否應(yīng)用在了錯(cuò)誤的來(lái)源上。噪聲抑制的原則是針對(duì)傳導(dǎo)噪聲使用EMI濾波器，針對(duì)輻射噪聲使用屏蔽措施。

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用EMI濾波器抑制噪聲的方法

為了使用EMI濾波器來(lái)抑制噪聲，有以下三種方法可供選擇：

1.使用不同的頻率來(lái)區(qū)分信號(hào)和噪聲。

2.在信號(hào)和噪聲之間使用不同的傳導(dǎo)模式。

3.使用非線性電阻器（壓敏電阻器）來(lái)抑制高電壓浪涌

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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(guò)低于指定頻率的信號(hào)，但衰減高于指定頻率的信號(hào)。

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

帶通濾波器（BPF）：該濾波器僅通過(guò)指定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)。

帶阻濾波器（BEF）：該濾波器不通過(guò)指定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)。

大多數(shù)從電子設(shè)備中發(fā)射的噪聲頻率高于電路信號(hào)。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(guò)低于指定頻率的信號(hào)，并衰減高于此頻率的信號(hào)。

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插入損耗

電磁干擾（EMI）濾波器的抑制噪聲性能是根據(jù)MIL STD-220規(guī)定的插入損耗測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量的。通過(guò)在負(fù)載上插入濾波器和不插入濾波器時(shí)測(cè)量電壓，并使用上述表達(dá)式確定插入損耗。插入損耗的單位用dB（分貝）表示。例如，當(dāng)插入損耗為20 dB時(shí)，噪聲電壓降低到十分之一。

這個(gè)測(cè)量是在輸入/輸出阻抗為50Ω（50Ω系統(tǒng)）下進(jìn)行的。然而，在實(shí)際電路中，輸入/輸出阻抗并不是50Ω，因此濾波器的性能會(huì)與50Ω系統(tǒng)有所不同。

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低通濾波器

最基本的低通濾波器包括以下兩個(gè)組件：

1.在信號(hào)線和GND線之間安裝一個(gè)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(guò)旁路電容器流向GND。）

2.在信號(hào)線串聯(lián)安裝一個(gè)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(hào)線。

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低通濾波器-數(shù)值與插入損耗的關(guān)系

在EMI問(wèn)題出現(xiàn)的頻帶中，每當(dāng)頻率增加十倍時(shí)濾波器的插入損耗，將增加20 dB。當(dāng)濾波器的數(shù)值（電容器的電容或電感器的電感）增加十倍時(shí)，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(fā)，可以使用組合濾波器。

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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(jìn)行測(cè)量的。然而，實(shí)際電路的阻抗并非都是50Ω。濾波器的實(shí)際效果取決于所在的電路的阻抗。一般來(lái)說(shuō)，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。

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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(shí)際的電容器插入損耗會(huì)在頻率達(dá)到一定值（自諧振頻率）后開始下降。

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電容的插入阻抗特性

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

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ESL的影響

當(dāng)ESL相同時(shí)，無(wú)論電容器的電容值增加或減少，插入損耗在超過(guò)自諧振頻率的頻率下都不會(huì)改變。因此，為了在超過(guò)自諧振頻率的高頻率下實(shí)現(xiàn)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。

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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(cè)量的示例。對(duì)于引線式電容器，插入損耗是將引線剪斷至1毫米進(jìn)行測(cè)量的。

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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(jì)算得出的。

ESL的數(shù)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(zhì)材料和電極結(jié)構(gòu)的不同而有所變化。

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三端電容結(jié)構(gòu)

對(duì)于引線式的雙端電容器，ESL較大，因?yàn)橐€起到了電感的作用。

通過(guò)采用三端結(jié)構(gòu)，ESL降低了。因此，插入損耗比兩端電容器更低。

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典型三端特片電容

上圖顯示了貼片三端電容器的結(jié)構(gòu)模型。每個(gè)介質(zhì)片上都有電極。輸入和輸出端子分別位于兩端，并通過(guò)電極連接。這種結(jié)構(gòu)允許信號(hào)電流通過(guò)電容器。通過(guò)在兩側(cè)接地，減少了對(duì)地端上的ESL。這種結(jié)構(gòu)具有非常低的ESL，提供了更高的自諧振頻率。

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穿心電容

還有一種電容器的結(jié)構(gòu)，其中地電極環(huán)繞介質(zhì)，信號(hào)端子穿過(guò)介質(zhì)。通過(guò)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(hào)端都沒(méi)有ESL，它可以提供幾乎理想的插入損耗特性。

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等效串聯(lián)電阻的影響

導(dǎo)致電容器特性不理想的第二個(gè)因素是等效串聯(lián)電阻（ESR）。由于電極和材料引起的ESR會(huì)導(dǎo)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。

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非理想電感的影響

前文已經(jīng)說(shuō)明了由于等效串聯(lián)電感和等效串聯(lián)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(shí)際也不會(huì)理想。當(dāng)頻率超過(guò)自諧振頻率時(shí)，電感器的阻抗開始降低，因?yàn)殡S著頻率的增加，雜散電容的阻抗也會(huì)降低。因此，噪聲會(huì)繞過(guò)電感器。

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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(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，其中進(jìn)線端子穿過(guò)磁珠芯，可以減小串?dāng)_電容。上圖（b）顯示了阻抗特性的一個(gè)例子。該圖表明，由于串?dāng)_電容較小，這種類型的電感器具有優(yōu)異的特性，其自諧振頻率為1 GHz或更高。

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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(gè)特點(diǎn)，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。

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貼片鐵氧體磁珠電感結(jié)構(gòu)

上述圖示了貼片磁珠電感器的結(jié)構(gòu)。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(dāng)需要更大的阻抗時(shí)，每片上的電極通過(guò)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(shè)計(jì)使雜散電容較小。

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貼片鐵氧體磁珠電感的阻抗特性

對(duì)于磁珠電感器來(lái)說(shuō)，阻抗的變化取決于材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。上述圖表顯示了隨著阻抗變化而變化的信號(hào)波形的示例。信號(hào)頻率為10 MHz。在選擇磁珠電感器時(shí)，需要考慮噪聲頻段的阻抗以及阻抗梯度。

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差模和共模噪聲

根據(jù)傳導(dǎo)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(hào)（VCC）線和GND線上相反方向傳導(dǎo)?？梢酝ㄟ^(guò)在信號(hào)線或電源線（VCC端）上安裝濾波器來(lái)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(dǎo)。例如，對(duì)于交流電源線來(lái)說(shuō)，噪聲會(huì)在兩根線路上以相同的方向傳導(dǎo)。而對(duì)于信號(hào)電纜來(lái)說(shuō)，噪聲會(huì)在電纜中的所有線路上以相同的方向傳導(dǎo)。

因此，為了抑制這種類型的噪聲，需要在所有傳導(dǎo)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(guò)分別在信號(hào)線和GND線上安裝電感器來(lái)抑制噪聲。

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

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通過(guò)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(guò)在一個(gè)鐵氧體磁心上繞制信號(hào)線或電源線而制成的。

由于磁通流經(jīng)鐵氧體磁心內(nèi)部，共模扼流圈對(duì)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(duì)抗共模電流，并且比使用多個(gè)普通電感器更有效地抑制共模噪聲。

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通過(guò)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(huì)產(chǎn)生阻抗。磁飽和問(wèn)題很小。共模扼流圈適用于具有大電流流動(dòng)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(huì)影響信號(hào)波形，因此也適用于信號(hào)波形失真會(huì)引起問(wèn)題的線路上的共模噪聲抑制，例如視頻信號(hào)線路。

上述圖表顯示了直流共模扼流圈的阻抗特性示例。實(shí)際特性還包含差模阻抗，必須考慮到這一點(diǎn)當(dāng)電路中使用共模扼流圈時(shí)信號(hào)波形顯著改善的時(shí)候。

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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(gè)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(gè)共模扼流圈來(lái)抑制共模噪聲。（這個(gè)線圈可以用兩個(gè)鐵氧體磁珠電感器代替。）通過(guò)在供電線路上安裝三端電容和鐵氧體磁珠電感器來(lái)抑制差模噪聲。

視頻信號(hào)輸出部分：

通過(guò)使用共模扼流圈來(lái)抑制傳輸?shù)揭曨l信號(hào)輸出部分的共模噪聲。

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交流電源電路的噪聲抑制示例

上面的圖示是一個(gè)交流電源電路中噪聲抑制的例子。

通過(guò)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(guò)在供電線路上安裝電容器（X電容器），可以抑制差模噪聲。

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壓敏電阻抑制浪涌保護(hù)電路

電壓變阻器被用于保護(hù)電路免受高電壓浪涌的影響。

當(dāng)高電壓浪涌作用于電路時(shí)，通常會(huì)對(duì)電路造成災(zāi)難性后果。可以在信號(hào)線上安裝電容器，但是這個(gè)電容器不能抑制高壓浪涌。

因此，當(dāng)需要對(duì)電路進(jìn)行浪涌保護(hù)時(shí)，會(huì)使用電壓變阻器作為電壓保護(hù)設(shè)備。當(dāng)施加的浪涌超過(guò)指定電壓（電壓變阻器電壓）時(shí)，電壓變阻器將抑制電壓以保護(hù)電路。

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壓敏電阻特性

當(dāng)浪涌電壓不超過(guò)電壓變阻器的電壓時(shí)，電壓變阻器起作用類似于電容器。然而，當(dāng)浪涌電壓超過(guò)電壓變阻器的電壓時(shí)，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(nèi)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(gè)關(guān)鍵點(diǎn)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(nèi)，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(guò)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(huì)受到損壞。

審核編輯：黃飛

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