1-1. 簡介
EMI靜噪濾波器 (EMIFIL) 是爲電子設備提供電磁噪聲抑制的電子元件，配合屏蔽罩和其他保護裝置一起使用。這種濾波器僅從通過連線傳導的電流中提取並移除引起電磁噪聲的元件。第1章說明了電子設備中使用EMI靜噪濾波器(EMIFIL)的原因，還概述了通常電磁噪聲抑制所用的典型屏蔽和濾波器的操作。
圖1-1 EMI靜噪濾波器 (EMIFIL)
1-2. 什麼是電磁噪聲干擾？
電子設備收到強電磁波時，電路中會感應到不想要的電流，這會產生非預想的操作或對預想的操作形成干擾。如果外部施加的能量過於強大，電子設備可能會損壞。即使外部施加的能量較小，如果混入廣播和通信所使用的電波中，在廣播和通信的無線電波信號較弱的區域內，也可能會造成無法接收、聲音中出現異常噪聲或視頻被破壞。外部電磁波造成的這些干擾稱爲電磁噪聲干擾，而造成干擾的電磁波稱爲電磁噪聲（下文稱爲噪聲）。
圖1-2 發射和抗擾
噪聲會干擾到各種電子設備。噪聲源也各有不同。對有些設備（例如洗衣機和冰箱）完全不起作用的噪聲，卻可能會嚴重干擾其他設備（例如AM收音機）。因此，需要一定的規則把電子設備產生的噪聲抑制到某個水平，並確保這些電子設備在某個噪聲水平下正確運行，這樣我們才能安全地使用這些電子設備。這些規則稱爲噪聲規定。
如果一臺電子設備視爲噪聲源，則噪聲的產生稱爲發射（噪聲發射）。相應地，如果一臺電子設備視爲噪聲受體，則噪聲容忍度稱爲抗擾度（噪聲容忍度）。噪聲規定指定了電子設備的發射和抗擾度。（抗擾度也稱爲EMS: 電磁敏感度）
圖1-3 歐洲噪聲規定示例
1-2-1. 電磁噪聲分類
如圖所示，根據電磁噪聲的來源，可分爲自然噪聲和人爲噪聲。 自然噪聲是電子設備出現之前就存在的噪聲，例如閃電和靜電。電子設備要求對自然噪聲有抗擾性。
人爲噪聲是電子設備開始使用後出現的噪聲，要用發射和抗擾度進行處理。隨着電子設備越來越廣泛的使用，人爲噪聲引起的干擾逐漸增加。這一點將在後續章節中詳細講述。
圖1-4 噪聲的分類
1-2-2. 噪聲問題因電子設備密集而出現變化
我們周圍使用的電子設備過於密集，噪聲干擾的內容和程度在隨着每個電子設備的性能增加而變化。例如，1970年之前（數字電路還未流行之前），我們考慮的是無線電波之間的干擾問題（無線電干擾）。但隨着個人計算機等家用數字電子設備的流行，我們開始關注這些電子設備產生的無線電波對收音機和電視接收無線電波的干擾。
通常，隨着電子設備的密集度增加，噪聲源和噪聲受體之間的距離在縮短，而噪聲干擾的程度在上升。此外，隨着電子設備的性能提升，工作電路頻率增加，會產生更高頻率的噪聲，擴大了受影響的頻率範圍。而且，由於電子設備的省電功能，更多的電路可以按更低的電壓運行，這樣低能量噪聲影響的情形在增多。
今後隨着電子設備進一步的高密集化、高性能化及小型化，預期噪聲干擾問題會更加嚴重。
圖1-5 擴大使用電子設備和對噪聲問題的影響
1-2-3. “系統內EMC”, 電子設備自體中毒
沒有任何外部噪聲，電子設備本身就可能出現噪聲干擾。電子設備內部電路中產生的噪聲可能會干擾電子設備本身內部的其他電路。這稱爲系統內EMC。例如，如果手機設有內置數字電路，數字電路的噪聲會令手機的接收器性能下降（降低接收器靈敏度），如下圖所示。這種情況下，噪聲源和噪聲受體之間的距離明顯小於常規噪聲源之間的距離，會產生更嚴重的干擾。視具體情形而定，提供的噪聲抑制水平要遠比噪聲規定的限制更加嚴格。
圖1-6 系統內EMC示例
1-3. 噪聲抑制
三種因素（噪聲源、噪聲受體和傳輸路徑）如圖1-7的原理圖所示存在時，會產生噪聲干擾。如果可以消除其中一個因素，就可以消除噪聲干擾。
因此，可以在噪聲源側或噪聲受體側採取措施。例如，如果未使用數字電路、開關電源或發射器（例如白熾燈），電子設備產生的噪聲會非常小。另一個例子是在噪聲受體一側於軟件中設置冗餘處理。
因此，即使信息稍有改變，也可以恢復信號。這些措施可以作爲基本解決方案。但許多這些情形會造成較大的次級效應，比如明顯降低電子設備的性能或增加其尺寸，從而使這些措施不切實際。
圖1-7 噪聲干擾的原理
通常，噪聲會如圖1-8所示排除在傳輸路徑之外。存在兩種噪聲傳導（空間傳導和導體傳導）。如圖所示，空間傳導由屏蔽進行處理，而導體傳導由濾波器進行處理。
如圖1-7所示，空間傳導和導體傳導傾向於通過用作天線的導線進行相互轉化。因此，即使導體傳導只是一個位置的問題，但不能完全忽略空間傳導的可能性。
圖1-8 噪聲抑制的措施
1-3-1. 屏蔽
屏蔽指的是通過用如圖1-9所示的金屬板或其他保護裝置封閉目標物體，把周圍的電磁場排除在外。
儘管屏蔽的效果通常取決於所用材料的傳導性、導磁率和厚度，但用鋁箔等極薄的金屬板會令常規電子設備的噪聲抑制更有效果。您必須意識到電子設備的噪聲抑制效果會因形成外殼的連接方法（間隙、接觸阻抗等）而異，而與材料規格無關。
在散熱所用的屏蔽罩上製作開口時，限制每個開口的最大尺寸比限制開口的總面積更加重要。如圖1-10所示，如果存在細長的開口或狹縫，這個部分可以起到狹縫天線的作用（特別是圖中的長度l 超過了波長1/2時的高頻範圍），且無線電波可以進出屏蔽罩。爲了避免這樣，應保持每個開口較小。由此看來，帶許多小孔的板材（例如衝孔的金屬和延展的金屬）是很好的材料，既有利於通風，又有利於屏蔽。
圖1-9 屏蔽
圖1-10 相同區域內三個不同開口形狀產生不同屏蔽效果示例
（假設高頻噪聲受電磁屏蔽限制。 某些情況下（例如電磁屏蔽等），這個順序可能不適用。）
1-3-2. 濾波器
濾波器指的是一個元件或功能，在導體中流動的電流內，可以讓必需的成分通過，而消除不想要的成分。儘管噪聲分流到了圖1-12所示的接地，但噪聲能量會被這些元件內部吸收，或返回到噪聲源（增加阻抗）。
圖1-11濾波器
圖1-12 濾波器工作方式
因爲噪聲往往分佈在如圖1-13所示的相對較高的頻率範圍內，所以電子設備的噪聲抑制通常使用低通濾波器來消除高頻成分。可以把電感器（線圈）、電阻和電容等通用元件用作低通濾波器。但是爲了完全隔離噪聲，可以使用EMI靜噪濾波器等專用的元件。EMI靜噪濾波器會在本文檔的第6章進行詳細說明。
除了這些利用噪聲不均勻頻率分佈的濾波器以外，還有些濾波器是利用壓差（變阻器等）或利用傳導模式差異（共模扼流線圈等）。
除了這些濾波器，變壓器、光纜或光隔離器均可用作一種濾波器。儘管某些情況下這些元件可以獲得優異的降噪效果，但適用的情形很有限。
圖1-13 用低通濾波器隔離噪聲
1-4. 如何使用屏蔽和濾波器
1-4-1. 在某一點使用屏蔽和濾波器
濾波器用於通過導體傳導的噪聲，而屏蔽用於通過空間傳導的噪聲。但是，因爲傳導噪聲的導體也會用作天線，所以這兩類傳導也會通過作爲天線導體而互相轉換。因此，爲了完全隔離噪聲，需要在一個位置同時使用濾波器和屏蔽。
例如，當屏蔽用於隔離空間傳導時，如果如圖1-14所示存在一個導體穿過屏蔽，這個導體會拾取屏蔽內的噪聲並吸到屏蔽之外，造成噪聲發射。因此，使用屏蔽不能完全隔離空間傳導。
同樣，當濾波器用於隔離導體傳導時，通過如圖1-15所示的空間傳導，在濾波器前後的導線彼此耦合。因此，只用濾波器也無法完全隔離導體傳導。
圖1-14 導體傳導會在屏蔽罩上造成漏洞
圖1-15 空間傳導會繞過濾波器
如圖1-16所示在一個位置同時使用屏蔽罩和濾波器時，隔離空間傳導和導體傳導兩者將完全消除噪聲。
如果噪聲源和濾波器之間的導體長度如圖1-17所示明顯較短，導體作爲天線的影響可以忽略，且只用濾波器就可以一定程度消除噪聲。因此，如果可以在靠近噪聲源的位置使用濾波器，只用濾波器就能實現噪聲抑制。
圖1-16 通過濾波器和屏蔽組合可以隔離噪聲
圖1-17 如果導體短，只用濾波器就能實現噪聲抑制
1-4-2. 濾波器和接地
爲了有效使用濾波器和屏蔽，通常需要良好接地。
如果濾波器內存在內置的旁路電容，接地會成爲噪聲電流返回噪聲源的通道，如圖1-18所示。您需要考慮保持此元件具有很低的阻抗。
如果對地阻抗如圖1-19(a)所示一樣大，由於噪聲電流，接地會產生電壓，因此無法徹底消除噪聲。如果這個接地與連接到另一個濾波器的另一條導線共享，接地處產生的電壓會通過濾波器電容轉回其他線路。
通過接地阻抗耦合的這個噪聲類型稱爲公共阻抗耦合。接地處具有噪聲的這個狀態也稱爲共模噪聲發生。共模噪聲會在後續章節中說明。公共阻抗耦合是造成共模噪聲的機制之一。
因爲具有內置電容的濾波器效果容易受到相連接地狀況的影響，所以需要使用具有低阻抗的穩定接地。
圖1-18 噪聲的電流路徑
圖1-19 接地中阻抗的影響
1-4-3. 屏蔽和接地
屏蔽也需要接地。
靜態屏蔽必須連接到接地，原則上是外部接地（零電壓）。由於被屏蔽電場中的變化而使連接到接地的導線中有電流，所以導線必須低阻抗。
許多情況下，使用屏蔽的電纜時，屏蔽層也會成爲已流過內部導體電流的迴路（例如同軸電纜的外部導體）。因此，需要連接到可以返回此電流的接地處（屏蔽信號時，連接到電路接地）。
類似圖1-19的情形，噪聲已經引導到大地時，如果屏蔽連接到接地，屏蔽延長，然後就像天線一樣從接地發出噪聲，可能會增加噪聲。連接屏蔽時，需要選擇電壓穩定、阻抗低的接地。
外殼屏蔽罩實際上是相對良好的接地。如果有一個屏蔽罩蓋住了整個電子設備，則這個屏蔽罩本身就可能是噪聲抑制的良好接地，即使未與大地相連（如果放電電流因需要抑制靜電或其他電流而排放到大地，則需要接地）。因此，我們稱這個接地爲外殼屏蔽接地。
這個外殼屏蔽接地也可以用作屏蔽電纜的接地。但是，爲了把這個屏蔽罩用作上述信號的迴路，需要用電路接地進行連接。因此，如果外殼屏蔽接地和電路接地已經隔離，則連接會變複雜。
圖1-20 屏蔽電纜接地連接示例
1-4-4. 接地加強
如上所述，有必要連接到穩定的接地，增強濾波器和屏蔽罩的效果。此外，當使用蓋住了整個設備的屏蔽罩時，這個屏蔽罩本身可以用作穩定的接地。因此，屏蔽通常具有穩定接地的功能。
如果有導線穿過這個屏蔽罩，如圖1-14所示提供了一個孔允許噪聲進出屏蔽罩，會使屏蔽罩接地不穩定。這種情況下，可以在這根導線中使用濾波器阻止噪聲進出，因此可以穩定屏蔽罩接地。
如上所述，合適的屏蔽罩和濾波器可以作爲穩定的接地，因此屏蔽罩、濾波器和接地之間有互相協助的關係。
除上述屏蔽罩接地之外，電路接地也是接地類型，且經常會感應出比屏蔽罩接地更多的噪聲電壓。這種接地稱爲“穩定接地”。與此相反，未感應到噪聲的接地稱爲“不穩定接地 ”。
較爲理想的是連接屏蔽罩或濾波器的模塊接地。但是，需要電路接地連線來返回信號迴流，或把噪聲電流返回到噪聲源點。如果電路接地不穩定，應通過減少電路接地的阻抗，提供沿着電路板的接地層，或連接外殼屏蔽接地，儘量降低噪聲電壓。
通過以這種方式降低電壓來穩定接地噪聲的操作稱爲“接地加強”。用屏蔽罩蓋住一部分電路板有助於接地加強。圖1-21顯示了接地加強的一些方法。
圖1-21 接地加強示例
1-4-5. 濾波器和接地
把電纜連接到屏蔽罩時，連接濾波器可防止噪聲通過電纜進出。這個濾波器的接地會在電路板上形成。但是，爲了穩定接地，經常被連接到屏蔽罩接地，而不是電路接地。因此，在連接電纜的區段處經常會形成與屏蔽罩接地連接的濾波器接地。此處，我們稱這個接地爲“濾波器接地”。
通常，濾波器接地不僅連接到屏蔽罩接地，而且連接到電路接地，以便把電路內生成的噪聲返回到噪聲源。這種情況下，同時還起到了電路接地的接地加強作用。使用屏蔽的電纜時，屏蔽層可以連接到濾波器接地。這種情況下，必須以極低的阻抗將其連接到屏蔽罩接地，因爲屏蔽電纜的效果會因濾波器接地的質量而異。
圖1-22 顯示了濾波器接地的示例。關於屏蔽罩接地，最重要的是以極低的阻抗保持濾波器接地。
儘管第1-4-2節已經闡述了濾波器的接地要以低阻抗連接到噪聲源（關於電路接地），圖1-22顯示了優先連接到屏蔽罩接地。這是因爲實際上很難以低阻抗返回噪聲源，因爲電纜的連接點通常遠離噪聲源。此外，其他電路的噪聲因電路接地不穩定的情況較多，即使連接低阻抗濾波器接地，也很難提升效果。
因此，當在接近噪聲源的位置處爲單個電路使用濾波器時，如1-4-2節所述把濾波器連接到電路接地。但是，當噪聲源很遠（例如在接線盒處）且需要考慮兩個以上噪聲源時，要實現此連接會很困難。一個實用的技巧是在接線盒處使用濾波器，如圖1-22所示可以找到屏蔽罩接地等穩定的接地，並連接濾波器接地。
圖1-22 使用濾波器接地的連接示例
第1章的重點內容
干擾電子設備運行的電磁波稱爲噪聲。
隔離噪聲傳輸路徑的方式包括屏蔽和濾波器。
爲了使屏蔽和濾波器有效工作，接地很重要。
原創文章，轉載請註明： 轉載自 http://www.mr-wu.cn/ 吳川斌的博客
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