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噪声怎么做屏蔽和滤波?

2021-11-27  xpxys99   |  转藏
   

第 1 章
为什么需要EMI静噪滤波器1-3.噪声抑制
1-3-1.屏蔽1-3-2.滤波器1-4.如何使用屏蔽和滤波器1-4-1.在某一点使用屏蔽和滤波器1-4-2.滤波器和接地1-4-3.屏蔽和接地1-4-4.接地加强1-4-5.滤波器和接地

1-3噪声抑制

如图1-7的原理图所示,当三种因素(噪声源、噪声受体和传输路径)存在时,会产生噪声干扰。如果可以消除其中一个因素,就可以消除噪声干扰。因此,可以在噪声源侧或噪声受体侧采取措施。

例如,如果未使用数字电路、开关电源或发射器(例如白炽灯),电子设备产生的噪声会非常小。另一个例子是在噪声受体一侧于软件中设置冗余处理。因此,即使信息稍有改变,也可以恢复信号。这些措施可以作为基本解决方案。但许多这些情形会造成较大的次级效应,比如明显降低电子设备的性能或增加其尺寸,从而使这些措施不切实际。

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通常,噪声会如图1-8所示排除在传输路径之外。存在两种噪声传导(空间传导和导体传导)。如图所示,空间传导由屏蔽进行处理,而导体传导由滤波器进行处理。如图1-7所示,空间传导和导体传导倾向于通过用作天线的导线进行相互转化。因此,即使导体传导只是一个位置的问题,但也不能完全忽略空间传导的可能性。

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1-3-1. 屏蔽

屏蔽指的是通过用如图1-9所示的金属板或其他保护装置封闭目标物体,把周围的电磁场排除在外。

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尽管屏蔽的效果通常取决于所用材料的传导性、导磁率和厚度,但用铝箔等极薄的金属板会令常规电子设备的噪声抑制更有效果。您必须意识到电子设备的噪声抑制效果会因形成外壳的连接方法(间隙、接触阻抗等)而异,而与材料规格无关。

在散热所用的屏蔽罩上制作开口时,限制每个开口的超大尺寸比限制开口的总面积更加重要。如图1-10所示,如果存在细长的开口或狭缝,这个部分可以起到狭缝天线的作用(特别是图中的长度l超过了波长1/2时的高频范围),且无线电波可以进出屏蔽罩。为了避免这样,应保持每个开口较小。由此看来,带许多小孔的板材(例如冲孔的金属和延展的金属)是很好的材料,既有利于通风,又有利于屏蔽。

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1-3-2. 滤波器

滤波器(图1-11)指的是一个元件或功能,在导体中流动的电流内,可以让必需的成分通过,而消除不想要的成分。尽管噪声分流到了图1-12所示的接地,但噪声能量会被这些元件内部吸收,或返回到噪声源(增加阻抗)。

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因为噪声往往分布在如图1-13所示的相对较高的频率范围内,所以电子设备的噪声抑制通常使用低通滤波器来消除高频成分。可以把电感器(线圈)、电阻和电容等通用元件用作低通滤波器。但是为了完全隔离噪声,可以使用EMI静噪滤波器等专用的元件。EMI静噪滤波器会在本课堂的第6章进行详细说明

除了这些利用噪声不均匀频率分布的滤波器以外,还有些滤波器是利用压差(变阻器等)或利用传导模式差异(共模扼流线圈等)。除了这些滤波器,变压器、光缆或光隔离器均可用作一种滤波器。尽管某些情况下这些元件可以获得优异的降噪效果,但适用的情形很有限。

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1-4如何使用屏蔽和滤波器?

1-4-1. 在某一点使用屏蔽和滤波器

滤波器用于通过导体传导的噪声,而屏蔽用于通过空间传导的噪声。但是,因为传导噪声的导体也会用作天线,所以这两类传导也会通过作为天线导体而互相转换。因此,为了完全隔离噪声,需要在一个位置同时使用滤波器和屏蔽。

例如,当屏蔽用于隔离空间传导时,如果如图1-14所示存在一个导体穿过屏蔽,这个导体会拾取屏蔽内的噪声并吸到屏蔽之外,造成噪声发射。因此,使用屏蔽不能完全隔离空间传导。

同样,当滤波器用于隔离导体传导时,通过如图1-15所示的空间传导,在滤波器前后的导线彼此耦合。因此,只用滤波器也无法完全隔离导体传导。

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如图1-16所示在一个位置同时使用屏蔽罩和滤波器时,隔离空间传导和导体传导两者将完全消除噪声。

如果噪声源和滤波器之间的导体长度如图1-17所示明显较短,导体作为天线的影响可以忽略,且只用滤波器就可以一定程度消除噪声。因此,如果可以在靠近噪声源的位置使用滤波器,只用滤波器就能实现噪声抑制。

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1-4-2. 滤波器和接地

为了有效使用滤波器和屏蔽,通常需要良好接地。

如果滤波器内存在内置的旁路电容,接地会成为噪声电流返回噪声源的通道,如图1-18所示。您需要考虑保持此元件具有很低的阻抗。如果对地阻抗如图1-19(a)所示一样大,由于噪声电流,接地会产生电压,因此无法彻底消除噪声。如果这个接地与连接到另一个滤波器的另一条导线共享,接地处产生的电压会通过滤波器电容转回其他线路。

通过接地阻抗耦合的这个噪声类型称为公共阻抗耦合。接地处具有噪声的这个状态也称为共模噪声发生。共模噪声会在后续章节中说明。公共阻抗耦合是造成共模噪声的机制之一。

因为具有内置电容的滤波器效果容易受到相连接地状况的影响,所以需要使用具有低阻抗的稳定接地。

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1-4-3. 屏蔽和接地

屏蔽也需要接地。

静态屏蔽必须连接到接地,原则上是外部接地(零电压)。由于被屏蔽电场中的变化而使连接到接地的导线中有电流,所以导线必须低阻抗。

许多情况下,使用屏蔽的电缆时,屏蔽层也会成为已流过内部导体电流的回路(例如同轴电缆的外部导体)。因此,需要连接到可以返回此电流的接地处(屏蔽信号时,连接到电路接地)。

类似图1-19的情形,噪声已经引导到大地时,如果屏蔽连接到接地,屏蔽延长,然后就像天线一样从接地发出噪声,可能会增加噪声。连接屏蔽时,需要选择电压稳定、阻抗低的接地。

外壳屏蔽罩实际上是相对良好的接地。如果有一个屏蔽罩盖住了整个电子设备,则这个屏蔽罩本身就可能是噪声抑制的良好接地,即使未与大地相连(如果放电电流因需要抑制静电或其他电流而排放到大地,则需要接地)。因此,我们称这个接地为外壳屏蔽接地。

这个外壳屏蔽接地也可以用作屏蔽电缆的接地。但是,为了把这个屏蔽罩用作上述信号的回路,需要用电路接地进行连接。因此,如果外壳屏蔽接地和电路接地已经隔离,则连接会变复杂。

图1-20显示了屏蔽电缆接地连接的示例。

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1-4-4. 接地加强

如上所述,有必要连接到稳定的接地,增强滤波器和屏蔽罩的效果。此外,当使用盖住了整个设备的屏蔽罩时,这个屏蔽罩本身可以用作稳定的接地。因此,屏蔽通常具有稳定接地的功能。

如果有导线穿过这个屏蔽罩,如图1-14所示提供了一个孔允许噪声进出屏蔽罩,会使屏蔽罩接地不稳定。这种情况下,可以在这根导线中使用滤波器阻止噪声进出,因此可以稳定屏蔽罩接地。

如上所述,合适的屏蔽罩和滤波器可以作为稳定的接地,因此屏蔽罩、滤波器和接地之间有互相协助的关系。

除上述屏蔽罩接地之外,电路接地也是接地类型,且经常会感应出比屏蔽罩接地更多的噪声电压。这种接地称为“稳定接地”。与此相反,未感应到噪声的接地称为“不稳定接地 ”。

较为理想的是连接屏蔽罩或滤波器的模块接地。但是,需要电路接地连线来返回信号回流,或把噪声电流返回到噪声源点。如果电路接地不稳定,应通过减少电路接地的阻抗,提供沿着电路板的接地层,或连接外壳屏蔽接地,尽量降低噪声电压。

通过以这种方式降低电压来稳定接地噪声的操作称为“接地加强”。用屏蔽罩盖住一部分电路板有助于接地加强。图1-21显示了接地加强的一些方法。

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1-4-5. 滤波器和接地

把电缆连接到屏蔽罩时,连接滤波器可防止噪声通过电缆进出。这个滤波器的接地会在电路板上形成。但是,为了稳定接地,经常被连接到屏蔽罩接地,而不是电路接地。因此,在连接电缆的区段处经常会形成与屏蔽罩接地连接的滤波器接地。此处,我们称这个接地为“滤波器接地”。

通常,滤波器接地不仅连接到屏蔽罩接地,而且连接到电路接地,以便把电路内生成的噪声返回到噪声源。这种情况下,同时还起到了电路接地的接地加强作用。使用屏蔽的电缆时,屏蔽层可以连接到滤波器接地。这种情况下,必须以极低的阻抗将其连接到屏蔽罩接地,因为屏蔽电缆的效果会因滤波器接地的质量而异。

图1-22 显示了滤波器接地的示例。关于屏蔽罩接地,最重要的是以极低的阻抗保持滤波器接地。

尽管第1-4-2节已经阐述了滤波器的接地要以低阻抗连接到噪声源(关于电路接地),图1-22显示了优先连接到屏蔽罩接地。这是因为实际上很难以低阻抗返回噪声源,因为电缆的连接点通常远离噪声源。此外,其他电路的噪声因电路接地不稳定的情况较多,即使连接低阻抗滤波器接地,也很难提升效果。

因此,当在接近噪声源的位置处为单个电路使用滤波器时,如1-4-2节所述把滤波器连接到电路接地。但是,当噪声源很远(例如在接线盒处)且需要考虑两个以上噪声源时,要实现此连接会很困难。一个实用的技巧是在接线盒处使用滤波器,如图1-22所示可以找到屏蔽罩接地等稳定的接地,并连接滤波器接地。

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