【導(dǎo)讀】目前，由于更嚴(yán)格的法規(guī)不斷融入不斷擴(kuò)展的電子領(lǐng)域，所有類型的設(shè)備都更安全，尤其是高度敏感的偵察、醫(yī)療和航空電子設(shè)備，可以避免由“噪聲”EMI所造成的災(zāi)難性故障風(fēng)險(xiǎn)。
電磁干擾(EMI)領(lǐng)域最初是在1933年由巴黎國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)的一個(gè)小組委員會(huì)悄然獲得正式認(rèn)可。該委員會(huì)以CISPR(國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì))的名義成立，旨在更好地了解射頻技術(shù)可能產(chǎn)生的長(zhǎng)期復(fù)雜情況。自1820年由莫爾斯、亨利和韋爾成立以來(lái)，無(wú)線電的受歡迎程度已經(jīng)爆發(fā)，成為大蕭條時(shí)期必不可少的家用電器。很快就確定有意和無(wú)意的RF傳輸開(kāi)始影響其他電氣系統(tǒng)，從而導(dǎo)致電子界對(duì)EMI的認(rèn)識(shí)不斷提高。 1934年，CISPR開(kāi)始制定和分發(fā)有關(guān)電子設(shè)備推薦的允許發(fā)射和免疫限制的要求，這些要求已演變?yōu)楫?dāng)前世界上許多的EMC法規(guī)。
在整個(gè)20世紀(jì)60年代，70年代和80年代，研究人員越來(lái)越擔(dān)心電磁輻射的干擾增加。 1967年，美國(guó)軍方發(fā)布了Mil Standard 461A，該標(biāo)準(zhǔn)為已經(jīng)在軍事應(yīng)用中使用的電子設(shè)備以及新軍事電子設(shè)備的發(fā)射和易感性限制建立了測(cè)試和驗(yàn)證要求。
1979年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)對(duì)美國(guó)所有數(shù)字設(shè)備的電磁輻射實(shí)施法律限制。隨著系統(tǒng)變得越來(lái)越快，體積越來(lái)越小，功能越來(lái)越強(qiáng)大，這些規(guī)定不斷發(fā)展，因?yàn)樾屡d技術(shù)的出現(xiàn)，會(huì)越來(lái)越干擾其他電氣系統(tǒng)的運(yùn)行。
為了更好地了解噪聲是如何產(chǎn)生的，航空電子設(shè)備和航空航天工程師已經(jīng)研究了與EMI相關(guān)的問(wèn)題，并確定了可以設(shè)計(jì)新系統(tǒng)以最大限度地降低傳輸噪聲的方法，同時(shí)還能夠承受來(lái)自外部源的一定量噪聲。
最初，大多數(shù)公司選擇了快速、笨重的屏蔽外殼設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)僅僅是最低效的法拉第籠。在尋求更好的長(zhǎng)期解決方案以消除其敏感電子設(shè)備中EMI敏感性的眾多公司中，那些更精明的研究人員傾向于采用更專業(yè)、更專注的方法，結(jié)合更好的電子設(shè)計(jì)和布局，同時(shí)在需要時(shí)加入額外的屏蔽和濾波元件。
創(chuàng)建多個(gè)認(rèn)證級(jí)別有助于確保電氣系統(tǒng)在輻射和傳導(dǎo)發(fā)射和易感性方面的兼容性。這些標(biāo)準(zhǔn)的引入使專業(yè)人員能夠輕松識(shí)別可以集成到自己組裝中的電氣系統(tǒng)，而無(wú)需擔(dān)心EMI問(wèn)題。今天，由于這些更嚴(yán)格的法規(guī)不斷融入不斷擴(kuò)展的電子領(lǐng)域，所有類型的設(shè)備都更安全，尤其是高度敏感的偵察、醫(yī)療和航空電子設(shè)備，可以避免由“噪聲”EMI所造成的災(zāi)難性故障風(fēng)險(xiǎn) 。
雖然在簡(jiǎn)化創(chuàng)作過(guò)程和確保一般設(shè)計(jì)安全方面非常有用，但EMC規(guī)范卻不能自動(dòng)修復(fù)在沒(méi)有預(yù)先考慮無(wú)關(guān)的射頻波動(dòng)的情況下所創(chuàng)建的系統(tǒng)。由于產(chǎn)生或接收可能導(dǎo)致故障的干擾，今天發(fā)明的許多復(fù)雜系統(tǒng)仍然受到EMI的困擾。這些問(wèn)題通常的解決辦法是，通過(guò)屏蔽系統(tǒng)免受電磁波動(dòng)，以及濾波減少不需要的和潛在有害的能量。
EMI屏蔽和濾波
屏蔽是一種用于通過(guò)阻止源射頻(RF)噪聲傳輸來(lái)控制EMI的技術(shù)，與鉛和混凝土用作核輻射屏蔽的方式類似。屏蔽可以部署在RF源、接收器或其間的任何地方的電路中。在電場(chǎng)成功實(shí)現(xiàn)屏蔽的情況下，有效性取決于屏蔽材料的厚度、導(dǎo)電性和連續(xù)性。在電纜上增加屏蔽可以保護(hù)內(nèi)導(dǎo)體免受撞擊電場(chǎng)的影響，減少磁場(chǎng)的相互作用力。
重要的是，當(dāng)電場(chǎng)與導(dǎo)體相互作用時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓在電路上表現(xiàn)為電“噪聲”。當(dāng)在導(dǎo)體周圍放置適當(dāng)接地的屏蔽時(shí)，通常可以將電場(chǎng)能量排出而不對(duì)它產(chǎn)生影響，從而減少或消除噪聲。這是驅(qū)動(dòng)普通電氣屏蔽的基本原理，稱為法拉第籠。
當(dāng)穿過(guò)空間的電磁波遇到屏蔽時(shí)，會(huì)發(fā)生以下幾種情況：
•大部分能量被反射和折射，類似于聲波的多普勒效應(yīng)，它們通過(guò)穿過(guò)的任何東西進(jìn)行部分消散;
•然后，屏蔽層會(huì)根據(jù)需要將一些剩余能量吸收或分流到地面，從而顯著降低電磁波能量的大小;
•此外，在系統(tǒng)需要薄屏蔽的情況下，必須考慮在機(jī)柜內(nèi)重新反射能量。重新反射發(fā)生在屏蔽材料遠(yuǎn)側(cè)的邊界處，并導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的EM波的反彈，從而產(chǎn)生不需要的EM能量的局部尖峰。
大多數(shù)高頻屏蔽問(wèn)題不是因?yàn)椴牧媳旧聿荒芟肼暥鸬?，而是由屏蔽材料中的物理間隙和開(kāi)口引起的。雖然屏蔽是許多EMI相關(guān)問(wèn)題的主要選擇，但濾波器可以解決與穿過(guò)屏蔽外殼的穿透相關(guān)的問(wèn)題，以及電氣系統(tǒng)的輸入和輸出，通常是屏蔽系統(tǒng)中最脆弱的點(diǎn)。
與船體沒(méi)有什么不同，在屏蔽系統(tǒng)的任何一點(diǎn)上有一個(gè)洞很容易導(dǎo)致災(zāi)難性的失敗。由于輸入和輸出是與屏蔽外殼相關(guān)的最弱點(diǎn)，因此由于固有的漏洞，這些是濾波最有效的位置。
在這些位置，屏蔽外殼接口處的濾波和瞬態(tài)抑制是保護(hù)系統(tǒng)免受兼容性問(wèn)題影響的最有效方法。通過(guò)在系統(tǒng)的輸入/輸出接口上使用濾波器和濾波連接器，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以在連接器接口處消除來(lái)自內(nèi)部或外部源的EM和RF噪聲，將不需要的能量分流到接地的屏蔽外殼。因此，這是消除高頻噪聲的最佳位置，可減輕任何與EMI相關(guān)的問(wèn)題。
圖1：多種濾波器類型，旨在消除系統(tǒng)中的EMI
濾波器
在考慮濾波器和濾波連接器以幫助消除系統(tǒng)中的噪聲問(wèn)題時(shí)，確定最佳EMI解決方案要基于該系統(tǒng)的機(jī)械配置。有許多濾波器，這些濾波器有許多不同的配置，如圖1所示。
低通濾波
所示的濾波器解決方案具有多種配置，旨在根據(jù)特定系統(tǒng)要求緩解EMI問(wèn)題。這些產(chǎn)品中的每一個(gè)都位于電氣工程的單個(gè)子集中，具體地說(shuō)，它們是“低通”濾波器。換句話說(shuō)，這些濾波器允許較低頻率數(shù)據(jù)通過(guò)，同時(shí)阻擋較高頻率信號(hào)。
低通濾波器有多種實(shí)現(xiàn)方式，如下所示：
圖1a：C濾波器的原理圖
圖1b：CL或LC濾波器的原理圖
圖1c：Pi濾波器的示意圖
•C濾波器——純電容濾波器
o片式電容器
o 盤狀/引線式
o平面陣列
C濾波器是最簡(jiǎn)單、最直接的解決方案。它們由引腳或信號(hào)線與地之間的單個(gè)去耦電容構(gòu)成。
•CL/LC濾波器——組合電感和電容濾波
CL或LC濾波器提供額外的濾波，因?yàn)樗鼈儾捎脝蝹€(gè)電容接地，并與電感或“扼流圈”耦合。這增強(qiáng)了去耦電容器的濾波效率以及與電感器阻抗相關(guān)的濾波。
•當(dāng)源阻抗小于負(fù)載阻抗時(shí)，LC濾波器電路最高效。當(dāng)負(fù)載阻抗小于源阻抗時(shí)，CL濾波器最適合電路。
•Pi濾波器——電容和電感濾波(由于形狀類似于pi符號(hào)π而命名)
Pi濾波器由兩個(gè)由電感隔開(kāi)的去耦電容構(gòu)成，可有效捕獲目標(biāo)噪聲，并提提供卓越的高頻濾波性能。
應(yīng)該注意的是，接地是任何良好電氣系統(tǒng)最重要的方面，濾波器和濾波連接器需要出色的接地導(dǎo)電性才能正常工作。這些設(shè)計(jì)(假設(shè)它們所安裝的外殼/隔板是“良好接地”的)可為系統(tǒng)地提供低阻抗連接路徑。
必須根據(jù)系統(tǒng)中噪聲的頻率選擇濾波器，該頻率與通過(guò)接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)的目標(biāo)頻率直接相關(guān)。必須選擇濾波器的電容，使其不會(huì)干擾或“削減”數(shù)據(jù)信號(hào)的邊沿。此外，所選濾波器的類型必須滿足所尋址噪聲的頻譜。換句話說(shuō)，濾波器是否只需消除噪聲存在的頻帶中的窄范圍，或者是否更需要寬帶濾波器，以阻止寬頻率(例如：GHz)范圍?
選擇濾波器的電容取決于計(jì)算濾波器的-3dB截止頻率，它表示濾波器的響應(yīng)幅度從通帶電平下降3dB的頻率。
以下是用于計(jì)算系統(tǒng)截止頻率的公式：
在該公式中，fc是濾波器的截止頻率，如圖2中的性能與頻率曲線圖以及如圖3等效電路的R(電阻)和C(電容)所示。
圖2：不同濾波器類型的描述及其相應(yīng)的有效范圍。
圖3：具有相應(yīng)功率-頻率圖的RC電路。
這些信息很難確定，因?yàn)橄到y(tǒng)繼續(xù)被電氣工程師進(jìn)行復(fù)合和發(fā)展，更不用說(shuō)在相關(guān)領(lǐng)域工作的其他專家了。幸運(yùn)的是，大多數(shù)主流濾波器制造商都提供了插入損耗圖，它清楚地顯示了與它們提供的各種濾波器相關(guān)的-3dB截止頻率。該數(shù)據(jù)通常以表格形式呈現(xiàn)，并針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的500歐姆負(fù)載進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。因此，通過(guò)查看不同電容的各種頻率下公布的插入損耗或?yàn)V波器性能數(shù)據(jù)，可以更容易地選擇濾波器。
值得注意的是，芯片電容濾波器的表現(xiàn)不盡如人意。由于芯片電容器的自諧振，它們更像是“陷波”濾波器而不是高通濾波器。雖然在某些應(yīng)用中這種行為可以忽略不計(jì)，但這些濾波能力的缺點(diǎn)是最重要的，必須理解為有效地降低電氣系統(tǒng)中的高頻噪聲。與圖4所示的“理想”電容器的預(yù)測(cè)濾波器性能相比，這些芯片電容濾波器具有有限的高頻性能。
圖4：理想電容和1000pF電容的插入損耗對(duì)比圖。
另外，使用芯片電容器的濾波器的機(jī)械封裝和電路布局極大地影響了濾波的性能。如圖5所示，等效串聯(lián)電感直接影響濾波器性能。在將這些器件連接到信號(hào)和接地時(shí)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)特別注意所使用的走線的布局和導(dǎo)電性，以最大限度地減少這種影響，從而實(shí)現(xiàn)芯片電容器可實(shí)現(xiàn)的最佳濾波性能。
圖5：電容器的展開(kāi)圖，顯示了內(nèi)部殘余電感。
這些低通濾波器件有許多物理形式，但也有不同的性能水平。這些設(shè)備的選擇取決于噪聲問(wèn)題的頻率或頻率以及問(wèn)題的嚴(yán)重程度。
圖2還顯示了各種濾波器類型以及簡(jiǎn)單芯片電容濾波器的相對(duì)濾波器性能。從這些數(shù)據(jù)可以看出，芯片電容的作用與前面提到的陷波濾波器相似，而C、CL、LC和Pi濾波器由平面陣列、盤狀電容器或陶瓷管構(gòu)成，可提供更好的寬頻率和更高的濾波器性能總體水平。
應(yīng)用中的濾波器
有了對(duì)該領(lǐng)域及其相關(guān)組件的基本了解，下一步是研究一些實(shí)時(shí)應(yīng)用，并從EMI專家的角度分析濾波器選擇過(guò)程。
在圖6中，注意系統(tǒng)中的測(cè)量噪聲與紅色實(shí)線所示的允許限值。
圖6：與沒(méi)有EMI濾波器的系統(tǒng)相關(guān)的測(cè)量噪聲示例。
將圖7中的曲線圖看作是在沒(méi)有EMI濾波器的情況下測(cè)量的器件的噪聲輸出，這會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)代價(jià)昂貴的停產(chǎn)問(wèn)題。值得注意的是，30MHz和70MHz之間的頻率超過(guò)了允許的限制，這意味著無(wú)論實(shí)際產(chǎn)品是否成功，設(shè)計(jì)都無(wú)法進(jìn)入市場(chǎng)。盡管該設(shè)備具有屏蔽外殼，但該區(qū)域需要極其昂貴的重新設(shè)計(jì)或額外的濾波以將該噪聲降低到可接受的水平。
圖7：制造商提供的性能圖。
此設(shè)備的最大中斷頻率為39MHz，如上圖6所示，帶有綠色哈希標(biāo)記?；谶@種觀察，有必要選擇一個(gè)濾波連接器，它可實(shí)現(xiàn)低頻數(shù)據(jù)(在這種情況下，低于1.0MHz)傳輸而不會(huì)降低，同時(shí)濾除系統(tǒng)中的高頻噪聲。
有了這些信息，再加上回顧圖7所示的濾波器制造商的性能數(shù)據(jù)，可以確定10000pF到30000pF范圍內(nèi)的濾波很可能是該應(yīng)用的最佳EMI解決方案。
接下來(lái)，建議設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)根據(jù)該類濾波系統(tǒng)的低成本和高可靠性，確定芯片電容濾波器是否適合阻止所關(guān)注的頻率?？紤]到這一點(diǎn)，需要測(cè)試采用兩種通用系統(tǒng)解決方案，一個(gè)10000pF電容濾芯和一個(gè)22000pF電容濾芯。
圖8顯示了測(cè)試10000pF芯片電容插件的結(jié)果。結(jié)果，該裝置在較高頻率中被發(fā)現(xiàn)是可接受的，但是在較低頻率(10MHz和60MHz之間)中沒(méi)有提供足夠的濾波以將噪聲降低到低于允許的測(cè)試極限。
圖8：圖6中具有10000pF電容濾波的系統(tǒng)。
然后，使用22000pF芯片電容濾波器插件進(jìn)行測(cè)試，試圖將最大濾波器性能調(diào)整到噪聲持續(xù)的較低頻率區(qū)域。如圖9所示，性能得到改善，在較低頻率的噪聲極限處或附近只有很小的尖峰。但是這個(gè)濾波器導(dǎo)致能量“膨脹”到105MHz附近的更高頻率，超過(guò)了允許的極限。
圖9：圖7中的系統(tǒng)，具有通用的22000pF電容濾波。
這些測(cè)試結(jié)果表明，通用芯片電容濾波器插件無(wú)法提供足夠的濾波。為了永久地解決這個(gè)問(wèn)題，需要一種利用額外濾波的更專業(yè)的方法。
為了達(dá)到預(yù)期的效果，客戶測(cè)試了專門的濾波器插入，它是為了最大限度地減少等效串聯(lián)電感。通過(guò)將芯片電容器交叉安裝在隔離通道(將焊盤接觸區(qū)域與信號(hào)引腳和實(shí)心接地平面分開(kāi))上可實(shí)現(xiàn)這種效果。
這種濾波器插入設(shè)計(jì)提供了最大的屏蔽效能，并使等效串聯(lián)電感最小化，為芯片電容器提供可用的最佳性能，同時(shí)還利用了系統(tǒng)中已存在的屏蔽。結(jié)合專用的22000pF濾波器，濾波器插入實(shí)現(xiàn)了圖10所示的結(jié)果，從而以具有成本效益的長(zhǎng)期解決方案來(lái)滿足EMC法規(guī)。
在考慮了這些測(cè)試的結(jié)果之后，利用寬帶濾波器完成了器件設(shè)計(jì)(圖10)，因?yàn)樵谛酒娙萜鲀H提供最小濾波的較高頻率中沒(méi)有很多余量。這種專門的22000pF盤狀濾波連接器(采用盤狀電容器構(gòu)建的C濾波器)提供了更高水平的濾波器性能以及更廣泛的頻率性能要求。
圖10：使用自定義濾波器時(shí)的圖7系統(tǒng)。
通過(guò)利用設(shè)計(jì)中已經(jīng)存在的屏蔽，這種方法與其他測(cè)試的濾波器(包括相同電容的濾波器)相比，改善了整體EMI性能，而不是試圖將系統(tǒng)濾波做為“神奇的子彈”解決方案。它補(bǔ)充了系統(tǒng)中成功的部分，增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的整體性能，而不是將系統(tǒng)視為一個(gè)單獨(dú)的實(shí)體。
結(jié)論
總之，接近EMI噪聲問(wèn)題更像是接近患者的醫(yī)生，而不是大多數(shù)形式的補(bǔ)救性工程解決方案測(cè)試。最初的步驟涉及收集有關(guān)問(wèn)題明顯“癥狀”的信息。在評(píng)估階段，使用帶有近場(chǎng)探頭的頻譜分析儀來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的內(nèi)部和外部可以幫助識(shí)別噪聲源，這與醫(yī)生拍攝患處的X射線相類似。一旦對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了良好的評(píng)估或診斷，在評(píng)估更復(fù)雜的解決方案之前，治療可以首先應(yīng)用簡(jiǎn)單的補(bǔ)救措施。
這里所示的實(shí)時(shí)示例涉及與接地相關(guān)的核心理論問(wèn)題。大多數(shù)EMI問(wèn)題都來(lái)自不正確接地的電氣連接，成為EMI的意外發(fā)送器或接收器，或者變成EMI可能泄漏到系統(tǒng)中或從系統(tǒng)泄漏的點(diǎn)。要解決此類問(wèn)題，請(qǐng)首先嘗試解決任何接地問(wèn)題。接下來(lái)，嘗試在板級(jí)或外殼級(jí)別上使用屏蔽修補(bǔ)系統(tǒng)，以控制在嗅探測(cè)試期間發(fā)現(xiàn)的區(qū)域中系統(tǒng)中的噪聲傳輸。
如果問(wèn)題仍然存在，請(qǐng)開(kāi)始查看濾波解決方案，如本文所述。不要忘記尋求合格的EMI顧問(wèn)的建議，他可以幫助您確定可靠的EMI濾波解決方案。
作者：EMI解決方案的高級(jí)創(chuàng)始工程師和總裁Robert Ydens ＆ EMI應(yīng)用工程師 Bradley Ydens
