【導(dǎo)讀】目前，由于更嚴(yán)格的法規(guī)不斷融入不斷擴展的電子領(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。
電磁干擾(EMI)領(lǐng)域最初是在1933年由巴黎國際電工委員會(IEC)的一個小組委員會悄然獲得正式認(rèn)可。該委員會以CISPR(國際無線電干擾特別委員會)的名義成立，旨在更好地了解射頻技術(shù)可能產(chǎn)生的長期復(fù)雜情況。自1820年由莫爾斯、亨利和韋爾成立以來，無線電的受歡迎程度已經(jīng)爆發(fā)，成為大蕭條時期必不可少的家用電器。很快就確定有意和無意的RF傳輸開始影響其他電氣系統(tǒng)，從而導(dǎo)致電子界對EMI的認(rèn)識不斷提高。 1934年，CISPR開始制定和分發(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20世紀(jì)60年代，70年代和80年代，研究人員越來越擔(dān)心電磁輻射的干擾增加。 1967年，美國軍方發(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試和驗證要求。
1979年，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)對美國所有數(shù)字設(shè)備的電磁輻射實施法律限制。隨著系統(tǒng)變得越來越快，體積越來越小，功能越來越強大，這些規(guī)定不斷發(fā)展，因為新興技術(shù)的出現(xiàn)，會越來越干擾其他電氣系統(tǒng)的運行。
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)的問題，并確定了可以設(shè)計新系統(tǒng)以最大限度地降低傳輸噪聲的方法，同時還能夠承受來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，這些設(shè)計僅僅是最低效的法拉第籠。在尋求更好的長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)計和布局，同時在需要時加入額外的屏蔽和濾波元件。
創(chuàng)建多個認(rèn)證級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)人員能夠輕松識別可以集成到自己組裝中的電氣系統(tǒng)，而無需擔(dān)心EMI問題。今天，由于這些更嚴(yán)格的法規(guī)不斷融入不斷擴展的電子領(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 。
雖然在簡化創(chuàng)作過程和確保一般設(shè)計安全方面非常有用，但EMC規(guī)范卻不能自動修復(fù)在沒有預(yù)先考慮無關(guān)的射頻波動的情況下所創(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。這些問題通常的解決辦法是，通過屏蔽系統(tǒng)免受電磁波動，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阻止源射頻(RF)噪聲傳輸來控制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。在電場成功實現(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內(nèi)導(dǎo)體免受撞擊電場的影響，減少磁場的相互作用力。
重要的是，當(dāng)電場與導(dǎo)體相互作用時，它會產(chǎn)生一個電壓，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，通常可以將電場能量排出而不對它產(chǎn)生影響，從而減少或消除噪聲。這是驅(qū)動普通電氣屏蔽的基本原理，稱為法拉第籠。
當(dāng)穿過空間的電磁波遇到屏蔽時，會發(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)，它們通過穿過的任何東西進行部分消散;
•然后，屏蔽層會根據(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，必須考慮在機柜內(nèi)重新反射能量。重新反射發(fā)生在屏蔽材料遠側(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)高頻屏蔽問題不是因為材料本身不能消除噪聲而引起的，而是由屏蔽材料中的物理間隙和開口引起的。雖然屏蔽是許多EMI相關(guān)問題的主要選擇，但濾波器可以解決與穿過屏蔽外殼的穿透相關(guān)的問題，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。
與船體沒有什么不同，在屏蔽系統(tǒng)的任何一點上有一個洞很容易導(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，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)抑制是保護系統(tǒng)免受兼容性問題影響的最有效方法。通過在系統(tǒng)的輸入/輸出接口上使用濾波器和濾波連接器，設(shè)計團隊可以在連接器接口處消除來自內(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)中的噪聲問題時，確定最佳EMI解決方案要基于該系統(tǒng)的機械配置。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問題。這些產(chǎn)品中的每一個都位于電氣工程的單個子集中，具體地說，它們是“低通”濾波器。換句話說，這些濾波器允許較低頻率數(shù)據(jù)通過，同時阻擋較高頻率信號。
低通濾波器有多種實現(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濾波器是最簡單、最直接的解決方案。它們由引腳或信號線與地之間的單個去耦電容構(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，因為它們采用單個電容接地，并與電感或“扼流圈”耦合。這增強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，LC濾波器電路最高效。當(dāng)負(fù)載阻抗小于源阻抗時，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π而命名)
Pi濾波器由兩個由電感隔開的去耦電容構(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(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，該頻率與通過接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號的目標(biāo)頻率直接相關(guān)。必須選擇濾波器的電容，使其不會干擾或“削減”數(shù)據(jù)信號的邊沿。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，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，因為系統(tǒng)繼續(xù)被電氣工程師進行復(fù)合和發(fā)展，更不用說在相關(guān)領(lǐng)域工作的其他專家了。幸運的是，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)，并針對標(biāo)準(zhǔn)的500歐姆負(fù)載進行標(biāo)準(zhǔn)化。因此，通過查看不同電容的各種頻率下公布的插入損耗或濾波器性能數(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，但這些濾波能力的缺點是最重要的，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電容的插入損耗對比圖。
另外，使用芯片電容器的濾波器的機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和接地時，設(shè)計團隊?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，從而實現(xiàn)芯片電容器可實現(xiàn)的最佳濾波性能。
圖5：電容器的展開圖，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題的頻率或頻率以及問題的嚴(yán)重程度。
圖2還顯示了各種濾波器類型以及簡單芯片電容濾波器的相對濾波器性能。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時應(yīng)用，并從EMI專家的角度分析濾波器選擇過程。
在圖6中，注意系統(tǒng)中的測量噪聲與紅色實線所示的允許限值。
圖6：與沒有EMI濾波器的系統(tǒng)相關(guān)的測量噪聲示例。
將圖7中的曲線圖看作是在沒有EMI濾波器的情況下測量的器件的噪聲輸出，這會導(dǎo)致出現(xiàn)代價昂貴的停產(chǎn)問題。值得注意的是，30MHz和70MHz之間的頻率超過了允許的限制，這意味著無論實際產(chǎn)品是否成功，設(shè)計都無法進入市場。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。基于這種觀察，有必要選擇一個濾波連接器，它可實現(xiàn)低頻數(shù)據(jù)(在這種情況下，低于1.0MHz)傳輸而不會降低，同時濾除系統(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，建議設(shè)計團隊根據(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。考慮到這一點，需要測試采用兩種通用系統(tǒng)解決方案，一個10000pF電容濾芯和一個22000pF電容濾芯。
圖8顯示了測試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)中沒有提供足夠的濾波以將噪聲降低到低于允許的測試極限。
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行測試，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。但是這個濾波器導(dǎo)致能量“膨脹”到105MHz附近的更高頻率，超過了允許的極限。
圖9：圖7中的系統(tǒng)，具有通用的22000pF電容濾波。
這些測試結(jié)果表明，通用芯片電容濾波器插件無法提供足夠的濾波。為了永久地解決這個問題，需要一種利用額外濾波的更專業(yè)的方法。
為了達到預(yù)期的效果，客戶測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)域與信號引腳和實心接地平面分開)上可實現(xiàn)這種效果。
這種濾波器插入設(shè)計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，濾波器插入實現(xiàn)了圖10所示的結(jié)果，從而以具有成本效益的長期解決方案來滿足EMC法規(guī)。
在考慮了這些測試的結(jié)果之后，利用寬帶濾波器完成了器件設(shè)計(圖10)，因為在芯片電容器僅提供最小濾波的較高頻率中沒有很多余量。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的圖7系統(tǒng)。
通過利用設(shè)計中已經(jīng)存在的屏蔽，這種方法與其他測試的濾波器(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。它補充了系統(tǒng)中成功的部分，增強了整個系統(tǒng)的整體性能，而不是將系統(tǒng)視為一個單獨的實體。
結(jié)論
總之，接近EMI噪聲問題更像是接近患者的醫(yī)生，而不是大多數(shù)形式的補救性工程解決方案測試。最初的步驟涉及收集有關(guān)問題明顯“癥狀”的信息。在評估階段，使用帶有近場探頭的頻譜分析儀來評估系統(tǒng)的內(nèi)部和外部可以幫助識別噪聲源，這與醫(yī)生拍攝患處的X射線相類似。一旦對問題進行了良好的評估或診斷，在評估更復(fù)雜的解決方案之前，治療可以首先應(yīng)用簡單的補救措施。
這里所示的實時示例涉及與接地相關(guān)的核心理論問題。大多數(shù)EMI問題都來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。要解決此類問題，請首先嘗試解決任何接地問題。接下來，嘗試在板級或外殼級別上使用屏蔽修補系統(tǒng)，以控制在嗅探測試期間發(fā)現(xiàn)的區(qū)域中系統(tǒng)中的噪聲傳輸。
如果問題仍然存在，請開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解決方案的高級創(chuàng)始工程師和總裁Robert Ydens ＆ EMI應(yīng)用工程師 Bradley Ydens
