電磁干擾(EMI)領(lǐng)域最初是在1933年由巴黎國際電工委員會(huì )(IEC)的一個(gè)小組委員會(huì )悄然獲得正式認可。該委員會(huì )以CISPR(國際無(wú)線(xiàn)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(cháng)期復雜情況。自1820年由莫爾斯、亨利和韋爾成立以來(lái)，無(wú)線(xiàn)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，從而導致電子界對EMI的認識不斷提高。 1934年，CISPR開(kāi)始制定和分發(fā)有關(guān)電子設備推薦的允許發(fā)射和免疫限制的要求，這些要求已演變?yōu)楫斍笆澜缟显S多的EMC法規。

 

在整個(gè)20世紀60年代，70年代和80年代，研究人員越來(lái)越擔心電磁輻射的干擾增加。 1967年，美國軍方發(fā)布了Mil Standard 461A，該標準為已經(jīng)在軍事應用中使用的電子設備以及新軍事電子設備的發(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(huì )(FCC)對美國所有數字設備的電磁輻射實(shí)施法律限制。隨著(zhù)系統變得越來(lái)越快，體積越來(lái)越小，功能越來(lái)越強大，這些規定不斷發(fā)展，因為新興技術(shù)的出現，會(huì )越來(lái)越干擾其他電氣系統的運行。

 

為了更好地了解噪聲是如何產(chǎn)生的，航空電子設備和航空航天工程師已經(jīng)研究了與EMI相關(guān)的問(wèn)題，并確定了可以設計新系統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，大多數公司選擇了快速、笨重的屏蔽外殼設計，這些設計僅僅是最低效的法拉第籠。在尋求更好的長(cháng)期解決方案以消除其敏感電子設備中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(zhuān)業(yè)、更專(zhuān)注的方法，結合更好的電子設計和布局，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)認證級別有助于確保電氣系統在輻射和傳導發(fā)射和易感性方面的兼容性。這些標準的引入使專(zhuān)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，而無(wú)需擔心EMI問(wèn)題。今天，由于這些更嚴格的法規不斷融入不斷擴展的電子領(lǐng)域，所有類(lèi)型的設備都更安全，尤其是高度敏感的偵察、醫療和航空電子設備，可以避免由“噪聲”EMI所造成的災難性故障風(fēng)險 。

 

雖然在簡(jiǎn)化創(chuàng )作過(guò)程和確保一般設計安全方面非常有用，但EMC規范卻不能自動(dòng)修復在沒(méi)有預先考慮無(wú)關(guān)的射頻波動(dòng)的情況下所創(chuàng )建的系統。由于產(chǎn)生或接收可能導致故障的干擾，今天發(fā)明的許多復雜系統仍然受到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。

 

 

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(lèi)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)現屏蔽的情況下，有效性取決于屏蔽材料的厚度、導電性和連續性。在電纜上增加屏蔽可以保護內導體免受撞擊電場(chǎng)的影響，減少磁場(chǎng)的相互作用力。

 

重要的是，當電場(chǎng)與導體相互作用時(shí)，它會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓在電路上表現為電“噪聲”。當在導體周?chē)胖眠m當接地的屏蔽時(shí)，通?？梢詫㈦妶?chǎng)能量排出而不對它產(chǎn)生影響，從而減少或消除噪聲。這是驅動(dòng)普通電氣屏蔽的基本原理，稱(chēng)為法拉第籠。

 

當穿過(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(lèi)似于聲波的多普勒效應，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 )根據需要將一些剩余能量吸收或分流到地面，從而顯著(zhù)降低電磁波能量的大小;

 

•此外，在系統需要薄屏蔽的情況下，必須考慮在機柜內重新反射能量。重新反射發(fā)生在屏蔽材料遠側的邊界處，并導致系統內的EM波的反彈，從而產(chǎn)生不需要的EM能量的局部尖峰。

 

大多數高頻屏蔽問(wèn)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(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，以及電氣系統的輸入和輸出，通常是屏蔽系統中最脆弱的點(diǎn)。

 

與船體沒(méi)有什么不同，在屏蔽系統的任何一點(diǎn)上有一個(gè)洞很容易導致災難性的失敗。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)抑制是保護系統免受兼容性問(wèn)題影響的最有效方法。通過(guò)在系統的輸入/輸出接口上使用濾波器和濾波連接器，設計團隊可以在連接器接口處消除來(lái)自?xún)炔炕蛲獠吭吹腅M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(lèi)型，旨在消除系統中的EMI

 

 

在考慮濾波器和濾波連接器以幫助消除系統中的噪聲問(wèn)題時(shí)，確定最佳EMI解決方案要基于該系統的機械配置。有許多濾波器，這些濾波器有許多不同的配置，如圖1所示。

 

 

所示的濾波器解決方案具有多種配置，旨在根據特定系統要求緩解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(huà)說(shuō)，這些濾波器允許較低頻率數據通過(guò)，同時(shí)阻擋較高頻率信號。

 

低通濾波器有多種實(shí)現方式，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(pán)狀/引線(xiàn)式

o平面陣列

C濾波器是最簡(jiǎn)單、最直接的解決方案。它們由引腳或信號線(xiàn)與地之間的單個(gè)去耦電容構成。

 

•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(gè)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。

•當源阻抗小于負載阻抗時(shí)，LC濾波器電路最高效。當負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(lèi)似于pi符號π而命名)

Pi濾波器由兩個(gè)由電感隔開(kāi)的去耦電容構成，可有效捕獲目標噪聲，并提提供卓越的高頻濾波性能。

 

應該注意的是，接地是任何良好電氣系統最重要的方面，濾波器和濾波連接器需要出色的接地導電性才能正常工作。這些設計(假設它們所安裝的外殼/隔板是“良好接地”的)可為系統地提供低阻抗連接路徑。

 

必須根據系統中噪聲的頻率選擇濾波器，該頻率與通過(guò)接口傳輸的數據信號的目標頻率直接相關(guān)。必須選擇濾波器的電容，使其不會(huì )干擾或“削減”數據信號的邊沿。此外，所選濾波器的類(lèi)型必須滿(mǎn)足所尋址噪聲的頻譜。換句話(huà)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算濾波器的-3dB截止頻率，它表示濾波器的響應幅度從通帶電平下降3dB的頻率。

 

以下是用于計算系統截止頻率的公式：

 

 

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(xiàn)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(lèi)型的描述及其相應的有效范圍。

 

圖3：具有相應功率-頻率圖的RC電路。

 

這些信息很難確定，因為系統繼續被電氣工程師進(jìn)行復合和發(fā)展，更不用說(shuō)在相關(guān)領(lǐng)域工作的其他專(zhuān)家了。幸運的是，大多數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。該數據通常以表格形式呈現，并針對標準的500歐姆負載進(jìn)行標準化。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濾波器性能數據，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。雖然在某些應用中這種行為可以忽略不計，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中的高頻噪聲。與圖4所示的“理想”電容器的預測濾波器性能相比，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(shí)，設計團隊應特別注意所使用的走線(xiàn)的布局和導電性，以最大限度地減少這種影響，從而實(shí)現芯片電容器可實(shí)現的最佳濾波性能。

 

圖5：電容器的展開(kāi)圖，顯示了內部殘余電感。

 

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)題的嚴重程度。

 

圖2還顯示了各種濾波器類(lèi)型以及簡(jiǎn)單芯片電容濾波器的相對濾波器性能。從這些數據可以看出，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(pán)狀電容器或陶瓷管構成，可提供更好的寬頻率和更高的濾波器性能總體水平。

 

 

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(shí)時(shí)應用，并從EMI專(zhuān)家的角度分析濾波器選擇過(guò)程。

 

在圖6中，注意系統中的測量噪聲與紅色實(shí)線(xiàn)所示的允許限值。

 

圖6：與沒(méi)有EMI濾波器的系統相關(guān)的測量噪聲示例。

 

將圖7中的曲線(xiàn)圖看作是在沒(méi)有EMI濾波器的情況下測量的器件的噪聲輸出，這會(huì )導致出現代價(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(zhù)無(wú)論實(shí)際產(chǎn)品是否成功，設計都無(wú)法進(jìn)入市場(chǎng)。盡管該設備具有屏蔽外殼，但該區域需要極其昂貴的重新設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。

 

此設備的最大中斷頻率為39MHz，如上圖6所示，帶有綠色哈希標記?；谶@種觀(guān)察，有必要選擇一個(gè)濾波連接器，它可實(shí)現低頻數據(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據，可以確定10000pF到30000pF范圍內的濾波很可能是該應用的最佳EMI解決方案。

 

接下來(lái)，建議設計團隊根據該類(lèi)濾波系統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)，需要測試采用兩種通用系統解決方案，一個(gè)10000pF電容濾芯和一個(gè)22000pF電容濾芯。

 

圖8顯示了測試10000pF芯片電容插件的結果。結果，該裝置在較高頻率中被發(fā)現是可接受的，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試極限。

 

圖8：圖6中具有10000pF電容濾波的系統。

 

然后，使用22000pF芯片電容濾波器插件進(jìn)行測試，試圖將最大濾波器性能調整到噪聲持續的較低頻率區域。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，具有通用的22000pF電容濾波。

 

這些測試結果表明，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(zhuān)業(yè)的方法。

 

為了達到預期的效果，客戶(hù)測試了專(zhuān)門(mén)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(pán)接觸區域與信號引腳和實(shí)心接地平面分開(kāi))上可實(shí)現這種效果。

 

這種濾波器插入設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(shí)還利用了系統中已存在的屏蔽。結合專(zhuān)用的22000pF濾波器，濾波器插入實(shí)現了圖10所示的結果，從而以具有成本效益的長(cháng)期解決方案來(lái)滿(mǎn)足EMC法規。

 

在考慮了這些測試的結果之后，利用寬帶濾波器完成了器件設計(圖10)，因為在芯片電容器僅提供最小濾波的較高頻率中沒(méi)有很多余量。這種專(zhuān)門(mén)的22000pF盤(pán)狀濾波連接器(采用盤(pán)狀電容器構建的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。

 

通過(guò)利用設計中已經(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，而不是試圖將系統濾波做為“神奇的子彈”解決方案。它補充了系統中成功的部分，增強了整個(gè)系統的整體性能，而不是將系統視為一個(gè)單獨的實(shí)體。

 

 

總之，接近EMI噪聲問(wèn)題更像是接近患者的醫生，而不是大多數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(wèn)題明顯“癥狀”的信息。在評估階段，使用帶有近場(chǎng)探頭的頻譜分析儀來(lái)評估系統的內部和外部可以幫助識別噪聲源，這與醫生拍攝患處的X射線(xiàn)相類(lèi)似。一旦對問(wèn)題進(jìn)行了良好的評估或診斷，在評估更復雜的解決方案之前，治療可以首先應用簡(jiǎn)單的補救措施。

 

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可能泄漏到系統中或從系統泄漏的點(diǎn)。要解決此類(lèi)問(wèn)題，請首先嘗試解決任何接地問(wèn)題。接下來(lái)，嘗試在板級或外殼級別上使用屏蔽修補系統，以控制在嗅探測試期間發(fā)現的區域中系統中的噪聲傳輸。

 

如果問(wèn)題仍然存在，請開(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解決方案的高級創(chuàng )始工程師和總裁Robert Ydens  ＆   EMI應用工程師 Bradley Ydens