【導(dǎo)讀】噪聲抑制主要是以使用屏蔽和濾波器作為典型手段，在噪聲傳播的路徑中實(shí)現(xiàn)噪聲抑制。為了有效使用這些手段，對(duì)電磁噪聲產(chǎn)生和傳播機(jī)制的充分了解就尤為重要。
就噪聲源而言，有三種因素: 噪聲源、傳播路徑及天線（假設(shè)噪聲干擾最終是以電磁波形式傳播，天線亦包含在內(nèi)），如圖1(a)所示。如果是作為噪聲受害者，可以使用完全相同的原理圖，即圖1(b)中所示，只需將圖左右翻轉(zhuǎn)，并將噪聲源改為噪聲接收器。這就意味著可以認(rèn)為產(chǎn)生和接收噪聲兩種情況的機(jī)制是相同的。
首先，將對(duì)噪聲產(chǎn)生的機(jī)制進(jìn)行說(shuō)明。
圖1 EMC的三個(gè)因素
噪聲源
有各種不同的情況會(huì)產(chǎn)生可以成為噪聲源的電流。例如，一個(gè)電路的運(yùn)行需要某一信號(hào)分量而對(duì)其他電路產(chǎn)生了問(wèn)題。另一種情況，盡管沒有電路需要此信號(hào) 分量，但也不可避免產(chǎn)生噪聲。有時(shí)噪聲可能是由于疏忽而造成的。當(dāng)然，噪聲抑制的思維方式視每種情況而異。但如果您能了解特定的噪聲是如何產(chǎn)生的，則處理 將會(huì)變得較為容易。
在本章節(jié)中，我們將采用以下三種噪聲源典型案例，介紹產(chǎn)生噪聲的機(jī)制及一般應(yīng)對(duì)策略。
(i)信號(hào)
(ii)電源
(iii)浪涌
信號(hào)成為噪聲源或受害方時(shí)
在文中，我們將主要用于傳遞信息的線稱為信號(hào)線。通常為了通過(guò)電路傳輸信息，總是需要一定量的電流，即使是非常小的電流。隨后，電流周圍便產(chǎn)生了磁場(chǎng)。當(dāng)電流隨著信息而發(fā)生變化時(shí)，會(huì)向周圍發(fā)射無(wú)線電波，從而便產(chǎn)生了噪聲。
隨著信息量的增加，通過(guò)信號(hào)線的電流頻率也隨之增加，或可能需要更多的信號(hào)線。通常，電流頻率越高，或信號(hào)線數(shù)量越多，發(fā)射的無(wú)線電波強(qiáng)度就越大。因此，電子設(shè)備的性能越高、處理的信息量越大、電子設(shè)備中所使用的信號(hào)線越多，就越容易產(chǎn)生噪聲干擾。
傳輸信息的電路大致可分為模擬電路和數(shù)字電路，分別使用模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。從電路噪聲的角度出發(fā)對(duì)其一般特性做如下說(shuō)明。
圖2 模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)
[page]模擬電路
當(dāng)模擬電路為噪聲源時(shí)，一般產(chǎn)生的噪聲較少，因?yàn)槟M電路使用有限頻率，并采用控制電流流動(dòng)的設(shè)計(jì)情況較多。
但如果有能量外泄，則仍會(huì)產(chǎn)生噪聲干擾。例如，電視和廣播接收器采用一個(gè)具有恒定頻率的信號(hào)，此頻率稱為本地震蕩頻率，以便從天線接收的無(wú)線電波中有選擇 地放大目標(biāo)頻率。如果此頻率泄漏到外部，則可能對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。為了防止發(fā)生此情況，調(diào)諧器部分會(huì)被屏蔽，或在線路中使用EMI靜噪濾波器。
圖3 使用EMI靜噪濾波器（穿心電容）的電子調(diào)諧器示例
相比之下，從噪聲受害方考慮，由于模擬電路經(jīng)常處理微弱信號(hào)，哪怕微小的波動(dòng)信息都會(huì)受到影響，電路往往容易成為噪聲受害方。例如，如果噪聲進(jìn)入音 頻放大電路的第一級(jí)（從麥克風(fēng)進(jìn)入等），揚(yáng)聲器會(huì)檢測(cè)到噪聲并進(jìn)行放大，從而產(chǎn)生很響的噪聲。為了防止發(fā)生此情況，高靈敏音頻放大器會(huì)被屏蔽，或在線路中 使用EMI靜噪濾波器。
圖4 以EMC為例模擬電路的特性
數(shù)字電路
把數(shù)字電路作為噪聲源來(lái)看，由于在很短的時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生0與1信號(hào)電平之間的轉(zhuǎn)換，其中包含了極寬范圍的頻率成分，因此數(shù)字電路很可能成為噪聲源。為了防止發(fā)射出噪聲，因此在數(shù)字信號(hào)中使用了屏蔽和EMI靜噪濾波器。但把數(shù)字電路作為噪聲受害方來(lái)看，只有0和1兩種狀態(tài)（之間沒有其他狀態(tài)）來(lái)表示信號(hào)，且具有相對(duì)較大的幅值。另外，即使有微弱的感應(yīng)也不會(huì)影響信息，因此不太會(huì)成為噪聲受害方。但如果達(dá)到很高電平噪聲，則即使只有一瞬間，數(shù)據(jù)也會(huì)發(fā)生完全改變。因此，其對(duì)于靜電放電之類的脈沖噪聲是一個(gè)弱點(diǎn)。（靜電放電也簡(jiǎn)稱為ESD）
圖5 數(shù)字電路對(duì)噪聲具有較高的承受力，但更容易發(fā)出噪聲
圖6 以EMC為例數(shù)字信號(hào)的特性
[page]電源成為噪聲源時(shí)
由于電源本質(zhì)上就是一個(gè)電路，僅提供直流電或商用頻率，應(yīng)該不太可能成為電磁噪聲的起因或途徑。但在許多情況中，其實(shí)際上成為了噪聲的起因或途徑。這是由于以下原因所導(dǎo)致的:
(i)即使電壓看似穩(wěn)定，但其電流可能包含了大量的高頻電流以運(yùn)行電路
(ii)由于電源線在電路中是共享的線路，因此噪聲會(huì)循環(huán)并會(huì)影響整個(gè)電路
(iii)特別是接地往往是整個(gè)設(shè)備共享的，并提供了一個(gè)共同的電勢(shì)，很難將其分離
(iv)由于電源是設(shè)備的能量來(lái)源，噪聲能量也會(huì)變大
電源產(chǎn)生噪聲的典型例子是接觸噪聲和開關(guān)電源。
接觸噪聲是噪聲的一種，是在用開關(guān)打開/關(guān)閉電源電流時(shí)在接觸點(diǎn)產(chǎn)生的噪聲（關(guān)閉時(shí)噪聲尤其強(qiáng)大）。由于產(chǎn)生了很高的電壓，且短暫而又高頻電流的流動(dòng)傳播無(wú)線電波，所以會(huì)造成電路故障或?qū)е轮苓呺娮釉O(shè)備故障。
開關(guān)電源是通過(guò)使用半導(dǎo)體使電流間歇性流動(dòng)，來(lái)改變電壓和頻率的一種電路。由于中斷電流部分產(chǎn)生高頻能量，當(dāng)此能量泄漏到外部時(shí)便會(huì)造成噪聲干擾。例如， 圖7中所示的斷路器型DC-DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)使用晶體管使直流電流間歇性流動(dòng)而輸出電壓。此類間歇性電流內(nèi)含高頻能量。盡管大部分能量通常被輸入電 容和/或輸出平滑電路所吸收，但即使是少量泄漏也會(huì)成為周邊電路的噪聲源。為了消除開關(guān)電源時(shí)產(chǎn)生的噪聲，除了輸入電容器和/或輸出平滑電路以外，還使用 了LC低通濾波器（通過(guò)改善輸入電容器和輸出平滑電路的性能，也可以抑制噪聲）。
除了DC-DC轉(zhuǎn)換器以外，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器也是能產(chǎn)生噪聲的開關(guān)電源的一種類型。
（斷路器型降頻轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單模型）
圖7 由DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生噪聲的機(jī)制
相比之下，把電源作為噪聲受害方來(lái)看，電源是相對(duì)較難受到影響的電路。由于內(nèi)部使用的能量較大，所以不容易受干擾的影響。
但電源可以是噪聲傳導(dǎo)的路徑。如圖8中所示，電源線是電子設(shè)備相互直接連接的導(dǎo)體，是噪聲的一個(gè)重要傳導(dǎo)路徑。例如，當(dāng)電子設(shè)備受到噪聲影響時(shí)， 或當(dāng)電子設(shè)備發(fā)射噪聲時(shí)，交流電源線便成為噪聲的出入口。因此，很多電子設(shè)備在電源線中使用了EMI靜噪濾波器。圖9所示為交流電源EMI靜噪濾 波器的配置示例。
由于電源所使用的EMI靜噪濾波器通常會(huì)吸取比信號(hào)電流明顯更大的電流，因此需要有大電流吸取能力的元件。
圖8 通過(guò)交流電源線連接電子設(shè)備
圖9 交流電源線EMI靜噪濾波器的配置示例
圖10 以EMC為例電源電路的特性
浪涌產(chǎn)生的噪聲
由于靜電放電或開關(guān)切換而意外產(chǎn)生的過(guò)高電壓或電流稱為浪涌。由于電壓和/或電流的電平明顯大于正常電路運(yùn)行的情況，因此會(huì)引起故障或損壞電路。為了防止發(fā)生此情況，在浪涌會(huì)進(jìn)入的線路中使用了浪涌吸收元件。
典型的浪涌是靜電浪涌、開關(guān)浪涌和雷擊浪涌等。浪涌是EMC措施的主要類別之一。總結(jié)如下:
[page]靜電浪涌
如圖11中所示，浪涌是一個(gè)短暫的噪聲，是當(dāng)人體或設(shè)備中所承受的非常小（約數(shù)個(gè)100pF）的浮動(dòng)靜電電容中積聚的電荷，釋放到電子設(shè)備 或周圍物體上時(shí)便會(huì)發(fā)生。盡管其能量很小，但其電壓會(huì)高到幾個(gè)kV或更高，且有較大電流瞬間流過(guò)。因此，如果直接施加在電路上，則會(huì)損壞電路。即使未直接 施加，但當(dāng)信號(hào)線受到電磁感應(yīng)或當(dāng)電源或接地的電勢(shì)有波動(dòng)，電路就可能會(huì)產(chǎn)生故障。
如圖2-2-12所示，為了減少靜電荷干擾，
(i)用絕緣體覆蓋以阻止放電，或者用金屬覆蓋轉(zhuǎn)移電荷。
(ii)通過(guò)一個(gè)不影響電路的通路釋放放電電流（釋放到大地，以免流入信號(hào)接地: SG）。
(iii)使用適當(dāng)?shù)睦擞课赵?br />
圖11 靜電浪涌的進(jìn)入
圖12 靜電浪涌保護(hù)電路方法
開關(guān)浪涌
當(dāng)因繼電操作或切換開關(guān)而使電流突然變化時(shí)（特別在關(guān)閉電路時(shí)），由于電路的固有電感，在接觸點(diǎn)會(huì)遭受瞬時(shí)高電壓。此現(xiàn)象稱為開關(guān)浪涌。由于產(chǎn)生了過(guò)高的電壓，因此會(huì)產(chǎn)生如圖13和14所示的電火花，或通過(guò)接觸點(diǎn)的浮動(dòng)靜電電容與電感產(chǎn)生諧振，由于強(qiáng)烈的阻尼振蕩電流而可 以傳播無(wú)線電波。因此，會(huì)損壞共享電路的其他電子設(shè)備，或造成設(shè)備故障。由于此阻尼振蕩電流中包含高頻成分，因此會(huì)對(duì)收音機(jī)和電視機(jī)造成接收干擾。
由于產(chǎn)生阻尼振蕩電流的諧振是噪聲抑制中的一個(gè)重要課題，因此會(huì)在其他章節(jié)中作進(jìn)一步說(shuō)明。
除了繼電器和開關(guān)以外，由直流電機(jī)產(chǎn)生的噪聲也常常是由整流子切換電流而產(chǎn)生的。因此，這也可以認(rèn)為是開關(guān)浪涌的一個(gè)類型。
如圖15所示，為了減少開關(guān)浪涌的干擾，
(i)在接觸點(diǎn)使用電容器、壓敏電阻和緩沖電路等浪涌吸收元件。
(ii)提供屏蔽切斷所有電磁效應(yīng)。
(iii)將EMI靜噪濾波器用于噪聲傳遞線路和受影響電路。
為了只通過(guò)屏蔽和濾波器達(dá)到一定的改善，了解哪些部分會(huì)是噪聲的路徑和天線尤其重要。例如，在圖15中，僅屏蔽開關(guān)部分在大多數(shù)情況下不會(huì)有任何改善（由于屏蔽外部的線路起到了天線的作用，并發(fā)射大量無(wú)線電波）。
（拔出烤箱的電源插頭時(shí)發(fā)出火花，收音機(jī)發(fā)出噪聲）
圖13 由于開關(guān)浪涌產(chǎn)生噪聲干擾示例
圖14 產(chǎn)生開關(guān)浪涌的機(jī)制
圖15 開關(guān)浪涌的噪聲抑制示例
[page]雷擊浪涌
由于雷擊是一個(gè)自然現(xiàn)象，且具有巨大能量，要提供保護(hù)防止直接擊中是非常困難的。在許多情況下，不是提供保護(hù)防止直接擊中，而是使用電子設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，防止雷電感應(yīng)。
雷擊感應(yīng)是是當(dāng)電子設(shè)備附近發(fā)生雷擊時(shí)，電源線或通訊線等相對(duì)較長(zhǎng)線路上感應(yīng)出的高電壓。產(chǎn)生雷擊感應(yīng)的可能機(jī)制是: 由于雷雨云產(chǎn)生的電場(chǎng)，電荷感應(yīng)到電線，然后電荷通過(guò)雷擊被釋放；或由于雷擊電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在電線中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。直接雷擊并不厲害，但雷擊感應(yīng)具有很 大的能量，足以損壞電路。因此需要進(jìn)行保護(hù)。
為了提供保護(hù)防止雷擊感應(yīng)，在電子設(shè)備電源線和通信線進(jìn)出部分需要使用諸如壓敏電阻等浪涌吸元件。
圖16 沒有雷電直接擊中浪涌即可從電源線或天線導(dǎo)線進(jìn)入
