用EMI(电磁干扰)滤波器抑制噪声

       对于电子系统来说,达到一个EMI噪声受控的环境是非常重要的。在工业、商业和消费领域电子和数字系统数目(数字设备,由于脉冲电压和脉冲电流具有很丰富的高频谐波,会产生很强的辐射。事实上只有数字电路普及后,电磁干扰的问题才日益突出。)飞速增长的今天,电磁兼容(EMC)被视为亟待解决的必要问题。也就是说,不同的系统必须能够在近距离正常工作,相互不发射噪声,也不受噪声的影响。

 

       由噪声源发射出来的噪声通过多个复杂的路径进行传输,有时通过导体进行传输,而有时则辐射出去。噪声抑制的一般原则就是对传导噪声运用EMI滤波器,而对辐射噪声使用屏蔽的措施。

       大多数电子设备发射的噪声的频率都高于电路信号的频率,如数字设备中脉冲信号的高次谐波。因此,只允许低于特定频率的信号通过而将高于该频率的信号衰减的低通滤波器通常用作EMI滤波器。

最基本的低通滤波器包括下面两个元件:

1、在信号线和接地线之间装有一个电容器。

       一般电容器,插入损耗先随着频率的增高而增大,但当频率到达一水平时(自谐振频率),插入损耗开始下降,滤波特性变差。这是因为:①由电极和材料引起的ESR(等效串联电阻)、②电容器的ESL(等效串联电感)发生了作用。

 

       陶瓷电容器的ESR非常小,三端式电容ESL较小,因此三端陶瓷电容器的高频滤波特性大大优于二端电容。

       因陶瓷穿心电容器具有非常优良的高频性能和近乎理想的插入损耗特性,其滤波范围可达数GHZ以上,而被用于馈通式滤波器。

2、信号线上串联一个电感器。

       实际的电感器除了电感参数外,还有寄生电阻和电容。其中寄生电容的影响更大。理想电感的阻抗随着频率的升高而增大,这正是电感对高频干扰信号衰减较大的根本原因。但是由于寄生电容的存在,实际的电感器等效电路是一个LC并联网络。当角频率为1/√LC时,会发生并联谐振,这时电感的阻抗最大。超过谐振点后,电感器的阻抗特性呈电容阻抗特性,这时插入损耗下降,滤波特性变差。

 

    要拓宽电感的工作频率,关健是减小寄生电容。具体是:

     ⑴ 尽量使线圈为单层,并使输入输出远离。

     ⑵ 线圈匝数较多要多层绕时,应向一个方向绕,边绕边重叠,不是一层一层重叠。

     ⑶ 在一个磁芯上将线圈分段绕,这样每段的电容较小,并且总的电容是两段电容的串联,总容量比单段容量小。

 

▲ 带引线的铁氧体磁珠电感器是一种典型的电感型EMI滤波器。其特点是杂散电容小,自谐振频率高。它还有一个突出的特点,在高频时,这类电感器是作为电阻而不是电感来工作的,且以热量的形式消耗噪声。

 

 

关于插入损耗

       我们一般按照美军标MIL-STD-220中所规定的插入损耗测量方法来对EMI滤波器的噪声抑制性能进行测量。

通过负载的压降分别在插入和不插入滤波器的情况下进行测量,而插入损耗则利用以下所述的表达式来确定。

插入损耗的单位用dB(分贝)表示。例如,当插入损耗为20dB时,噪声电压就减少到1/10。

       这类测量是在输入/输出为50Ω(50Ω系统)的条件下进行的。但是,在实际电路中输入/输出阻抗不会正好是50Ω,所以滤波器的性能将与50Ω系统有所不同。

 

三端电容、穿心电容,和铁氧体磁珠电感器可形成不同的组合,以提高滤波器性能和适合不同的使用场合。

 

差模和共模噪声

按照传导模式的不同噪声被分为两种类型。

(1) 差模噪声。它在信号(VCC)线和接地线上以相反的方向传导。其抑制方法是在信号线或电源线的热(VCC)端安装一个滤波器。

(2) 共模噪声。它在所有的线路上都是同向传导的。其抑制方法是在噪声传导的所有线路上安装EMI抑制滤波器。

       共模扼流圈用于抑制共模噪声。这类线圈是将信号或电源导线按一定方向绕在一个铁氧体磁芯上制作而成。其结构使由共模电流引起的磁通积累而产生很高的阻抗,共模噪声得到抑制。由差模电流引起的磁通互相抵消而不产生阻抗,磁饱和产生的问题较小,不会影响通过的信号波形。

 

用EMI滤波器抑制噪声举例

 

直流电路噪声抑制举例

 

交流电源线抑制噪声举例

 

小型整流子串激电机抑制噪声举例