第 1 章
為什么需要EMI靜噪濾波器1-3.噪聲抑制1-3-1.屏蔽1-3-2.濾波器1-4.如何使用屏蔽和濾波器1-4-1.在某一點(diǎn)使用屏蔽和濾波器1-4-2.濾波器和接地1-4-3.屏蔽和接地1-4-4.接地加強(qiáng)1-4-5.濾波器和接地

1-3噪聲抑制

如圖1-7的原理圖所示，當(dāng)三種因素（噪聲源、噪聲受體和傳輸路徑）存在時(shí)，會(huì)產(chǎn)生噪聲干擾。如果可以消除其中一個(gè)因素，就可以消除噪聲干擾。因此，可以在噪聲源側(cè)或噪聲受體側(cè)采取措施。

例如，如果未使用數(shù)字電路、開關(guān)電源或發(fā)射器（例如白熾燈），電子設(shè)備產(chǎn)生的噪聲會(huì)非常小。另一個(gè)例子是在噪聲受體一側(cè)于軟件中設(shè)置冗余處理。因此，即使信息稍有改變，也可以恢復(fù)信號(hào)。這些措施可以作為基本解決方案。但許多這些情形會(huì)造成較大的次級(jí)效應(yīng)，比如明顯降低電子設(shè)備的性能或增加其尺寸，從而使這些措施不切實(shí)際。

通常，噪聲會(huì)如圖1-8所示排除在傳輸路徑之外。存在兩種噪聲傳導(dǎo)（空間傳導(dǎo)和導(dǎo)體傳導(dǎo)）。如圖所示，空間傳導(dǎo)由屏蔽進(jìn)行處理，而導(dǎo)體傳導(dǎo)由濾波器進(jìn)行處理。如圖1-7所示，空間傳導(dǎo)和導(dǎo)體傳導(dǎo)傾向于通過用作天線的導(dǎo)線進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。因此，即使導(dǎo)體傳導(dǎo)只是一個(gè)位置的問題，但也不能完全忽略空間傳導(dǎo)的可能性。

1-3-1. 屏蔽

屏蔽指的是通過用如圖1-9所示的金屬板或其他保護(hù)裝置封閉目標(biāo)物體，把周圍的電磁場(chǎng)排除在外。

盡管屏蔽的效果通常取決于所用材料的傳導(dǎo)性、導(dǎo)磁率和厚度，但用鋁箔等極薄的金屬板會(huì)令常規(guī)電子設(shè)備的噪聲抑制更有效果。您必須意識(shí)到電子設(shè)備的噪聲抑制效果會(huì)因形成外殼的連接方法（間隙、接觸阻抗等）而異，而與材料規(guī)格無關(guān)。

在散熱所用的屏蔽罩上制作開口時(shí)，限制每個(gè)開口的超大尺寸比限制開口的總面積更加重要。如圖1-10所示，如果存在細(xì)長的開口或狹縫，這個(gè)部分可以起到狹縫天線的作用（特別是圖中的長度l超過了波長1/2時(shí)的高頻范圍），且無線電波可以進(jìn)出屏蔽罩。為了避免這樣，應(yīng)保持每個(gè)開口較小。由此看來，帶許多小孔的板材（例如沖孔的金屬和延展的金屬）是很好的材料，既有利于通風(fēng)，又有利于屏蔽。

1-3-2. 濾波器

濾波器(圖1-11)指的是一個(gè)元件或功能，在導(dǎo)體中流動(dòng)的電流內(nèi)，可以讓必需的成分通過，而消除不想要的成分。盡管噪聲分流到了圖1-12所示的接地，但噪聲能量會(huì)被這些元件內(nèi)部吸收，或返回到噪聲源（增加阻抗）。

因?yàn)樵肼曂植荚谌鐖D1-13所示的相對(duì)較高的頻率范圍內(nèi)，所以電子設(shè)備的噪聲抑制通常使用低通濾波器來消除高頻成分?？梢园央姼衅鳎ň€圈）、電阻和電容等通用元件用作低通濾波器。但是為了完全隔離噪聲，可以使用EMI靜噪濾波器等專用的元件。EMI靜噪濾波器會(huì)在本課堂的第6章進(jìn)行詳細(xì)說明。

除了這些利用噪聲不均勻頻率分布的濾波器以外，還有些濾波器是利用壓差（變阻器等）或利用傳導(dǎo)模式差異（共模扼流線圈等）。除了這些濾波器，變壓器、光纜或光隔離器均可用作一種濾波器。盡管某些情況下這些元件可以獲得優(yōu)異的降噪效果，但適用的情形很有限。

1-4如何使用屏蔽和濾波器？

1-4-1. 在某一點(diǎn)使用屏蔽和濾波器

濾波器用于通過導(dǎo)體傳導(dǎo)的噪聲，而屏蔽用于通過空間傳導(dǎo)的噪聲。但是，因?yàn)閭鲗?dǎo)噪聲的導(dǎo)體也會(huì)用作天線，所以這兩類傳導(dǎo)也會(huì)通過作為天線導(dǎo)體而互相轉(zhuǎn)換。因此，為了完全隔離噪聲，需要在一個(gè)位置同時(shí)使用濾波器和屏蔽。

例如，當(dāng)屏蔽用于隔離空間傳導(dǎo)時(shí)，如果如圖1-14所示存在一個(gè)導(dǎo)體穿過屏蔽，這個(gè)導(dǎo)體會(huì)拾取屏蔽內(nèi)的噪聲并吸到屏蔽之外，造成噪聲發(fā)射。因此，使用屏蔽不能完全隔離空間傳導(dǎo)。

同樣，當(dāng)濾波器用于隔離導(dǎo)體傳導(dǎo)時(shí)，通過如圖1-15所示的空間傳導(dǎo)，在濾波器前后的導(dǎo)線彼此耦合。因此，只用濾波器也無法完全隔離導(dǎo)體傳導(dǎo)。

如圖1-16所示在一個(gè)位置同時(shí)使用屏蔽罩和濾波器時(shí)，隔離空間傳導(dǎo)和導(dǎo)體傳導(dǎo)兩者將完全消除噪聲。

如果噪聲源和濾波器之間的導(dǎo)體長度如圖1-17所示明顯較短，導(dǎo)體作為天線的影響可以忽略，且只用濾波器就可以一定程度消除噪聲。因此，如果可以在靠近噪聲源的位置使用濾波器，只用濾波器就能實(shí)現(xiàn)噪聲抑制。

1-4-2. 濾波器和接地

為了有效使用濾波器和屏蔽，通常需要良好接地。

如果濾波器內(nèi)存在內(nèi)置的旁路電容，接地會(huì)成為噪聲電流返回噪聲源的通道，如圖1-18所示。您需要考慮保持此元件具有很低的阻抗。如果對(duì)地阻抗如圖1-19(a)所示一樣大，由于噪聲電流，接地會(huì)產(chǎn)生電壓，因此無法徹底消除噪聲。如果這個(gè)接地與連接到另一個(gè)濾波器的另一條導(dǎo)線共享，接地處產(chǎn)生的電壓會(huì)通過濾波器電容轉(zhuǎn)回其他線路。

通過接地阻抗耦合的這個(gè)噪聲類型稱為公共阻抗耦合。接地處具有噪聲的這個(gè)狀態(tài)也稱為共模噪聲發(fā)生。共模噪聲會(huì)在后續(xù)章節(jié)中說明。公共阻抗耦合是造成共模噪聲的機(jī)制之一。

因?yàn)榫哂袃?nèi)置電容的濾波器效果容易受到相連接地狀況的影響，所以需要使用具有低阻抗的穩(wěn)定接地。

1-4-3. 屏蔽和接地

屏蔽也需要接地。

靜態(tài)屏蔽必須連接到接地，原則上是外部接地（零電壓）。由于被屏蔽電場(chǎng)中的變化而使連接到接地的導(dǎo)線中有電流，所以導(dǎo)線必須低阻抗。

許多情況下，使用屏蔽的電纜時(shí)，屏蔽層也會(huì)成為已流過內(nèi)部導(dǎo)體電流的回路（例如同軸電纜的外部導(dǎo)體）。因此，需要連接到可以返回此電流的接地處（屏蔽信號(hào)時(shí)，連接到電路接地）。

類似圖1-19的情形，噪聲已經(jīng)引導(dǎo)到大地時(shí)，如果屏蔽連接到接地，屏蔽延長，然后就像天線一樣從接地發(fā)出噪聲，可能會(huì)增加噪聲。連接屏蔽時(shí)，需要選擇電壓穩(wěn)定、阻抗低的接地。

外殼屏蔽罩實(shí)際上是相對(duì)良好的接地。如果有一個(gè)屏蔽罩蓋住了整個(gè)電子設(shè)備，則這個(gè)屏蔽罩本身就可能是噪聲抑制的良好接地，即使未與大地相連（如果放電電流因需要抑制靜電或其他電流而排放到大地，則需要接地）。因此，我們稱這個(gè)接地為外殼屏蔽接地。

這個(gè)外殼屏蔽接地也可以用作屏蔽電纜的接地。但是，為了把這個(gè)屏蔽罩用作上述信號(hào)的回路，需要用電路接地進(jìn)行連接。因此，如果外殼屏蔽接地和電路接地已經(jīng)隔離，則連接會(huì)變復(fù)雜。

圖1-20顯示了屏蔽電纜接地連接的示例。

1-4-4. 接地加強(qiáng)

如上所述，有必要連接到穩(wěn)定的接地，增強(qiáng)濾波器和屏蔽罩的效果。此外，當(dāng)使用蓋住了整個(gè)設(shè)備的屏蔽罩時(shí)，這個(gè)屏蔽罩本身可以用作穩(wěn)定的接地。因此，屏蔽通常具有穩(wěn)定接地的功能。

如果有導(dǎo)線穿過這個(gè)屏蔽罩，如圖1-14所示提供了一個(gè)孔允許噪聲進(jìn)出屏蔽罩，會(huì)使屏蔽罩接地不穩(wěn)定。這種情況下，可以在這根導(dǎo)線中使用濾波器阻止噪聲進(jìn)出，因此可以穩(wěn)定屏蔽罩接地。

如上所述，合適的屏蔽罩和濾波器可以作為穩(wěn)定的接地，因此屏蔽罩、濾波器和接地之間有互相協(xié)助的關(guān)系。

除上述屏蔽罩接地之外，電路接地也是接地類型，且經(jīng)常會(huì)感應(yīng)出比屏蔽罩接地更多的噪聲電壓。這種接地稱為“穩(wěn)定接地”。與此相反，未感應(yīng)到噪聲的接地稱為“不穩(wěn)定接地 ”。

較為理想的是連接屏蔽罩或?yàn)V波器的模塊接地。但是，需要電路接地連線來返回信號(hào)回流，或把噪聲電流返回到噪聲源點(diǎn)。如果電路接地不穩(wěn)定，應(yīng)通過減少電路接地的阻抗，提供沿著電路板的接地層，或連接外殼屏蔽接地，盡量降低噪聲電壓。

通過以這種方式降低電壓來穩(wěn)定接地噪聲的操作稱為“接地加強(qiáng)”。用屏蔽罩蓋住一部分電路板有助于接地加強(qiáng)。圖1-21顯示了接地加強(qiáng)的一些方法。

1-4-5. 濾波器和接地

把電纜連接到屏蔽罩時(shí)，連接濾波器可防止噪聲通過電纜進(jìn)出。這個(gè)濾波器的接地會(huì)在電路板上形成。但是，為了穩(wěn)定接地，經(jīng)常被連接到屏蔽罩接地，而不是電路接地。因此，在連接電纜的區(qū)段處經(jīng)常會(huì)形成與屏蔽罩接地連接的濾波器接地。此處，我們稱這個(gè)接地為“濾波器接地”。

通常，濾波器接地不僅連接到屏蔽罩接地，而且連接到電路接地，以便把電路內(nèi)生成的噪聲返回到噪聲源。這種情況下，同時(shí)還起到了電路接地的接地加強(qiáng)作用。使用屏蔽的電纜時(shí)，屏蔽層可以連接到濾波器接地。這種情況下，必須以極低的阻抗將其連接到屏蔽罩接地，因?yàn)槠帘坞娎|的效果會(huì)因?yàn)V波器接地的質(zhì)量而異。

圖1-22 顯示了濾波器接地的示例。關(guān)于屏蔽罩接地，最重要的是以極低的阻抗保持濾波器接地。

盡管第1-4-2節(jié)已經(jīng)闡述了濾波器的接地要以低阻抗連接到噪聲源（關(guān)于電路接地），圖1-22顯示了優(yōu)先連接到屏蔽罩接地。這是因?yàn)閷?shí)際上很難以低阻抗返回噪聲源，因?yàn)殡娎|的連接點(diǎn)通常遠(yuǎn)離噪聲源。此外，其他電路的噪聲因電路接地不穩(wěn)定的情況較多，即使連接低阻抗濾波器接地，也很難提升效果。

因此，當(dāng)在接近噪聲源的位置處為單個(gè)電路使用濾波器時(shí)，如1-4-2節(jié)所述把濾波器連接到電路接地。但是，當(dāng)噪聲源很遠(yuǎn)（例如在接線盒處）且需要考慮兩個(gè)以上噪聲源時(shí)，要實(shí)現(xiàn)此連接會(huì)很困難。一個(gè)實(shí)用的技巧是在接線盒處使用濾波器，如圖1-22所示可以找到屏蔽罩接地等穩(wěn)定的接地，并連接濾波器接地。