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产生电磁噪声的机制[转载]

2019年8月16日 Zeng Weibin 硬件设计

2-1. 简介

第1章讲述了由电磁噪声所引起干扰的机制及抑制噪声的概述。噪声抑制主要是以使用屏蔽和滤波器作为典型手段,在噪声传播的路径中实现噪声抑制。为了有效使用这些手段,对电磁噪声产生和传播机制的充分了解就尤为重要。
就噪声源而言,充分参考第1章中说明的噪声产生的原理,有三种因素: 噪声源、传播路径及天线(假设噪声干扰最终是以电磁波形式传播,天线亦包含在内)[参考文献 1],如图2-1-1(a)所示。如果是作为噪声受害者,可以使用完全相同的原理图,即图2-1-1(b)中所示,只需将图左右翻转,并将噪声源改为噪声接收器。这就意味着可以认为产生和接收噪声两种情况的机制是相同的。
因此,为了充分了解噪声干扰机制,第2至5章的侧重点都是关于噪声源方面,并介绍了噪声产生、传播和发射机制的基本原理。在这些章节中,也对切断噪声的屏蔽和接地连接进行了简要说明。在之后的章节中,将对另一个重要因素“滤波器”进行详细的说明。
首先,第2章将对噪声产生的机制进行说明。

Three factors of EMC

图2-1-1 EMC的三个因素

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2-2. 噪声源

有各种不同的情况会产生可以成为噪声源的电流。例如,一个电路的运行需要某一信号分量而对其他电路产生了问题。另一种情况,尽管没有电路需要此信号分量,但也不可避免产生噪声。有时噪声可能是由于疏忽而造成的。当然,噪声抑制的思维方式视每种情况而异。但如果您能了解特定的噪声是如何产生的,则处理将会变得较为容易。
在本章节中,我们将采用以下三种噪声源典型案例,介绍产生噪声的机制及一般应对策略。

  1. (i)信号
  2. (ii)电源
  3. (iii)浪涌

2-2-1. 信号成为噪声源或受害方时

在本章节中,我们将主要用于传递信息的线称为信号线。通常为了通过电路传输信息,总是需要一定量的电流,即使是非常小的电流。随后,电流周围便产生了磁场。当电流随着信息而发生变化时,会向周围发射无线电波,从而便产生了噪声。
随着信息量的增加,通过信号线的电流频率也随之增加,或可能需要更多的信号线。通常,电流频率越高,或信号线数量越多,发射的无线电波强度就越大。因此,电子设备的性能越高、处理的信息量越大、电子设备中所使用的信号线越多,就越容易产生噪声干扰。
传输信息的电路大致可分为模拟电路和数字电路,分别使用模拟信号和数字信号。从电路噪声的角度出发对其一般特性做如下说明。

Analog signal and digital signal

图2-2-1 模拟信号和数字信号

(1) 模拟电路

当模拟电路为噪声源时,一般产生的噪声较少,因为模拟电路使用有限频率,并采用控制电流流动的设计情况较多。
但如果有能量外泄,则仍会产生噪声干扰。例如,电视和广播接收器采用一个具有恒定频率的信号,此频率称为本地震荡频率,以便从天线接收的无线电波中有选择地放大目标频率。如果此频率泄漏到外部,则可能对其他设备产生干扰。为了防止发生此情况,调谐器部分会被屏蔽,或在线路中使用EMI静噪滤波器。

Example of electronic tuner in which EMI suppression filters (feed-through capacitor) are used

图2-2-2 使用EMI静噪滤波器(穿心电容)的电子调谐器示例

相比之下,从噪声受害方考虑,由于模拟电路经常处理微弱信号,哪怕微小的波动信息都会受到影响,电路往往容易成为噪声受害方。例如,如果噪声进入音频放大电路的名列前茅级(从麦克风进入等),扬声器会检测到噪声并进行放大,从而产生很响的噪声。为了防止发生此情况,高灵敏音频放大器会被屏蔽,或在线路中使用EMI静噪滤波器。

Noise is likely to cause a problem at a specific frequency in analog circuit

图2-2-3 模拟电路中特定频率处容易产生噪声

Characteristics of analog circuit in terms of EMC

图2-2-4 以EMC为例模拟电路的特性

(2) 数字电路

把数字电路作为噪声源来看,由于在很短的时间内会发生0与1信号电平之间的转换,其中包含了极宽范围的频率成分,因此数字电路很可能成为噪声源。为了防止发射出噪声,因此在数字信号中使用了屏蔽和EMI静噪滤波器。数字电路产生的噪声是一个很重要的课题,并会在第2-3节中详细说明,其不仅与信号有关,而且还与电源有关。
但把数字电路作为噪声受害方来看,只有0和1两种状态(之间没有其他状态)来表示信号,且具有相对较大的幅值。另外,即使有微弱的感应也不会影响信息,因此不太会成为噪声受害方。但如果达到很高电平噪声,则即使只有一瞬间,数据也会发生完全改变。因此,其对于静电放电之类的脉冲噪声是一个弱点。(静电放电也简称为ESD)

Digital circuit is less susceptible to noise but is more likely to emit noise

图2-2-5 数字电路对噪声具有较高的承受力,但更容易发出噪声

Characteristics of digital circuit in terms of EMC

图2-2-6 以EMC为例数字信号的特性

2-2-2. 电源成为噪声源时

由于电源本质上就是一个电路,仅提供直流电或商用频率,应该不太可能成为电磁噪声的起因或途径。但在许多情况中,其实际上成为了噪声的起因或途径。这是由于以下原因所导致的:

  1. (i)即使电压看似稳定,但其电流可能包含了大量的高频电流以运行电路
  2. (ii)由于电源线在电路中是共享的线路,因此噪声会循环并会影响整个电路
  3. (iii)特别是接地往往是整个设备共享的,并提供了一个共同的电势,很难将其分离
  4. (iv)由于电源是设备的能量来源,噪声能量也会变大

电源产生噪声的典型例子是接触噪声和开关电源。
接触噪声是噪声的一种,是在用开关打开/关闭电源电流时在接触点产生的噪声(关闭时噪声尤其强大),与2-2-3(2)节中描述的开关浪涌具有相同的含义。详细说明,请参见2-2-3节。由于产生了很高的电压,且短暂而又高频电流的流动传播无线电波,所以会造成电路故障或导致周边电子设备故障。
开关电源是通过使用半导体使电流间歇性流动,来改变电压和频率的一种电路。由于中断电流部分产生高频能量,当此能量泄漏到外部时便会造成噪声干扰。例如,图2-2-7中所示的断路器型DC-DC转换器通过使用晶体管使直流电流间歇性流动而输出电压。此类间歇性电流内含高频能量。尽管大部分能量通常被输入电容和/或输出平滑电路所吸收,但即使是少量泄漏也会成为周边电路的噪声源。为了消除开关电源时产生的噪声,除了输入电容器和/或输出平滑电路以外,还使用了LC低通滤波器(通过改善输入电容器和输出平滑电路的性能,也可以抑制噪声)。
除了DC-DC转换器以外,驱动电机的逆变器也是能产生噪声的开关电源的一种类型。

Mechanism of causing noise by DC-DC converter (Simplified model of chopper-type down converter)

(断路器型降频转换器的简单模型)
图2-2-7 由DC-DC转换器产生噪声的机制

相比之下,把电源作为噪声受害方来看,电源是相对较难受到影响的电路。由于内部使用的能量较大,所以不容易受干扰的影响。
但电源可以是噪声传导的路径。如图2-2-8中所示,电源线是电子设备相互直接连接的导体,是噪声的一个重要传导路径。例如,当电子设备受到噪声影响时,或当电子设备发射噪声时,交流电源线便成为噪声的出入口。因此,很多电子设备在电源线中使用了EMI静噪滤波器。图2-2-9所示为交流电源EMI静噪滤波器的配置示例。
由于电源所使用的EMI静噪滤波器通常会吸取比信号电流明显更大的电流,因此需要有大电流吸取能力的元件。

Electronic devices are connected via AC power line

图2-2-8 通过交流电源线连接电子设备

Configuration example of EMI suppression filter for AC power supply

图2-2-9 交流电源线EMI静噪滤波器的配置示例

Characteristics of power supply circuit in terms of EMC

图2-2-10 以EMC为例电源电路的特性

2-2-3. 浪涌产生的噪声

由于静电放电或开关切换而意外产生的过高电压或电流称为浪涌。由于电压和/或电流的电平明显大于正常电路运行的情况,因此会引起故障或损坏电路。为了防止发生此情况,在浪涌会进入的线路中使用了浪涌吸收元件。
典型的浪涌是静电浪涌、开关浪涌和雷击浪涌等。浪涌是EMC措施的主要类别之一。总结如下:

(1) 静电浪涌

如图2-2-11中所示,浪涌是一个短暂的噪声,是当人体或设备中所承受的非常小(约数个100pF)的浮动静电电容中积聚的电荷,释放到电子设备或周围物体上时便会发生。尽管其能量很小,但其电压会高到几个kV或更高,且有较大电流瞬间流过。因此,如果直接施加在电路上,则会损坏电路。即使未直接施加,但当信号线受到电磁感应或当电源或接地的电势有波动,电路就可能会产生故障。
以IEC61000-4-2为例进行模拟静电浪涌测试。请参考测试详细内容。
如图2-2-12所示,为了减少静电荷干扰,

  1. (i)用绝缘体覆盖以阻止放电,或者用金属覆盖转移电荷。
  2. (ii)通过一个不影响电路的通路释放放电电流(释放到大地,以免流入信号接地: SG)。
  3. (iii)使用适当的浪涌吸收元件。
Entry of electrostatic surge
图2-2-11 静电浪涌的进入
Means to protect circuits from electrostatic surge

图2-2-12 静电浪涌保护电路方法

(2) 开关浪涌

当因继电操作或切换开关而使电流突然变化时(特别在关闭电路时),由于电路的固有电感,在接触点会遭受瞬时高电压。此现象称为开关浪涌。2-2-2节中提到的接触噪声是由开关浪涌引起的噪声。
由于产生了过高的电压,因此会产生如图2-2-13和2-2-14所示的电火花,或通过接触点的浮动静电电容与电感产生谐振,由于强烈的阻尼振荡电流而可以传播无线电波。因此,会损坏共享电路的其他电子设备,或造成设备故障。由于此阻尼振荡电流中包含高频成分,因此会对收音机和电视机造成接收干扰。
由于产生阻尼振荡电流的谐振是噪声抑制中的一个重要课题,因此会在其他章节中作进一步说明。
除了继电器和开关以外,由直流电机产生的噪声也常常是由整流子切换电流而产生的。因此,这也可以认为是开关浪涌的一个类型。
如图2-2-15所示,为了减少开关浪涌的干扰,

  1. (i)在接触点使用电容器、压敏电阻和缓冲电路等浪涌吸收元件。
  2. (ii)提供屏蔽切断所有电磁效应。
  3. (iii)将EMI静噪滤波器用于噪声传递线路和受影响电路。

为了只通过屏蔽和滤波器达到一定的改善,了解哪些部分会是噪声的路径和天线尤其重要。例如,在图2-2-15中,仅屏蔽开关部分在大多数情况下不会有任何改善(由于屏蔽外部的线路起到了天线的作用,并发射大量无线电波)。

Example of noise interference due to switching surge (when the power plug of an oven is pulled out, a spark comes out and a radio makes noise)

(拔出烤箱的电源插头时发出火花,收音机发出噪声)
图2-2-13 由于开关浪涌产生噪声干扰示例

Mechanism of causing switching surge

图2-2-14 产生开关浪涌的机制

Example of noise suppression for switching surge

图2-2-15 开关浪涌的噪声抑制示例

(3) 雷击浪涌

由于雷击是一个自然现象,且具有巨大能量,要提供保护防止直接击中是非常困难的。在许多情况下,不是提供保护防止直接击中,而是使用电子设备进行保护,防止雷电感应。
雷击感应是是当电子设备附近发生雷击时,电源线或通讯线等相对较长线路上感应出的高电压。产生雷击感应的可能机制是: 由于雷雨云产生的电场,电荷感应到电线,然后电荷通过雷击被释放;或由于雷击电流产生的磁场在电线中产生感应电动势。直接雷击并不厉害,但雷击感应具有很大的能量,足以损坏电路。因此需要进行保护。
为了提供保护防止雷击感应,在电子设备电源线和通信线进出部分需要使用诸如压敏电阻等浪涌吸元件。

Surge can enter from power line or antenna line without direct lightning hit

图2-2-16 没有雷电直接击中浪涌即可从电源线或天线导线进入

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