静噪元件/EMI静噪滤波器

第4章

空间传导及其应对措施

4-1. 简介

尽管到现在为止的章节主要讲述了噪声的产生和传导,但许多电磁噪声干扰实际上是以无线电波通过空间传导的。本章讲述噪声的空间传导。
噪声的空间传导可以分为两种问题: 一种问题出现在较近距离内(当同一台电子设备内的电路彼此干扰时),另一种问题出现在较远距离内(当噪声发射为无线电波且干扰到旁边的电子设备时)。这两种问题因距离而在降低干扰程度方面有所不同,后者的影响波及范围更远。虽然后一个问题根据噪声规则对不需要的发射有限制规定,但前一个问题对设计电子设备也很重要。
本章将首先讨论电路之间的干扰(短距离问题),随后讲述天线理论(远距离问题)以及如何屏蔽以防止这种问题。为了简化阐释,有些现象可能通过我们独特诠释方法进行极其简略的说明。有关详细和准确的理论,请参阅技术资料。[参考文献 1,2,3,4]
本章的内容涵盖了如图1所示的从传输路径到天线的区段。类似于前一章,会随着阐释逐渐引入技术术语和概念。

Contents to be explained in Chapter 4
图4-1-1 第4章要阐释的内容

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4-2. 空间噪声传导及其应对措施

如第1章所述,噪声传导通过导体和空间传导而产生。尽管到现在为止讲述地主要是导体传导,但本章将讲述空间传导以及屏蔽这种传导的静噪对策。

4-2-1. 空间噪声传导模型和屏蔽

(1) 空间噪声传导

如图4-2-1所示,空间噪声传导的主要机制如下:

  1. (i)静电感应。
  2. (ii)电磁感应。
  3. (iii)无线电波的发射和接收。

图4-2-1展示了噪声是如何在电子设备内通过空间传导,最终从电缆发射出的示例。空间传导的这三个机制也适用于电子设备外的噪声传导以及噪声接收。

Model of spatial noise conduction

图4-2-1 空间噪声传导的模型

(2) 屏蔽

若要在空中屏蔽空间噪声传导,对目标对象应该如图4-2-2所示进行屏蔽。屏蔽意味着用金属等良导体(或磁体)覆盖目标对象,屏蔽即可以应用于噪声源侧,又可用于接收器侧。尽管目标电路在图4-2-2中被单独屏蔽,但也可以覆盖整个电子设备或整个房间(称为屏蔽室)。
尽管屏蔽方法会因噪声感应模型而稍有不同,但其具体实施方案几乎一样。只要条件不是极端恶劣,即使很薄的金属箔也可以在几MHz的频率范围内取得足够好的效果。许多情况下均需要接地连接,且效果会因接地的优良程度而有很大差异。

Shield

图4-2-2 屏蔽

 

4-2-2. 静电感应

(1) 电场传输噪声

通常,带电的物体周围会形成一个电场。如图4-2-3所示这个电场会影响周围电路的现象称为静电感应。代表这个现象的电路图如图4-2-3(b)所示,其中在噪声源和受害方之间形成了浮动的静电容量CS,从而形成了电流路径。
当噪声源电压Vn变大且浮动静电容量CS变大时,静电感应引起的噪声电压V2升高。当噪声源和受害方之间的距离缩短且噪声源和受害方的尺寸变大时,浮动静电容量CS升高。

Electrostatic induction

图4-2-3 静电感应

 

(2) 高阻抗电路易受噪声影响

通常浮动静电容量CS非常小,大约只有几pF或更小。例如,假定间隙为10mm,并联长度为100mm,线路直径为1mm的细线时(同时忽视基板的介电常数),如图4-2-3(a)所示的线路间的浮动静电容量大约为1pF。
因此,相对整个电路来说,图4-2-3(b)中阻抗CS比率较大。如果作为噪声受害方的电路阻抗Z2小于这个比率,则感应电压V2可通过分压来降低。一般而言,这就是为什么高阻抗电路更容易接收噪声的原因之一(低阻抗电路不太容易接收)。
通常,静电感应指的是电场引起的常规噪声感应。为了简化电路模型,我们只将重点放在如图4-2-3所示的线路间浮动静电容量。

(3) 如何降低静电感应

为了降低静电感应,通常会采用以下措施:

  1. (i)增加距离(降低浮动静电容量)。
  2. (ii)减小线路等的尺寸。
    缩短并联线路部分的长度(降低浮动静电容量)。
  3. (iii)提供静电屏蔽(用金属板盖住噪声源或受害方,然后连接到地线)。
  4. (iv)降低噪声源的电压(使用EMI静噪滤波器)。
  5. (v)降低接收器的阻抗或灵敏度(使用EMI静噪滤波器)。

下一节将讲述静电屏蔽。

4-2-3. 静电屏蔽

图4-2-4提供了静电屏蔽的示例。接地的金属板放在噪声源和受害方之间,以便阻挡电场的效果。

Electrostatic shield

图4-2-4 静电屏蔽

如图4-2-4(b)所示,将噪声旁路到地,降低了对噪声受害方的影响。因此必须要有接地(连接到地线)。如果屏蔽高频噪声,则没有必要接至大地。连接到外壳或电路的地线就足够了。但接地阻抗应尽量小,以便让噪声电流流动顺畅。
一般而言,静电屏蔽是指对静电电场的屏蔽。如果如图4-2-4所示阻挡线路附近的高频噪声,就涉及到了电磁屏蔽的效果(稍后讲述)。
屏蔽可同时应用于噪声源侧和受害方侧。如果屏蔽受害方侧,则连接到受影响电路的地线。

4-2-4. 电磁感应

(1) 磁场传输噪声

通常电流流过导线会在导线周围形成磁场。如图4-2-5所示这个磁场会影响周围电路的现象称为电磁感应。从电路的角度看,可以认为感应电压由于如图4-2-5(b)所示两个电路间的互感系数M而出现在受影响的电路内。图中与M相连的线圈指的是电路导线等形成的电流环路电感,并不代表特定的元件。
类似于静电感应的情形,当噪声源电流In变大和互感系数M变大时,电磁感应引起的噪声电压V2升高。另外当噪声源和受害方之间的距离缩短且电流的并联部分变大时,互感系数M也会变大。

(2) 电流环路引起问题

衡量互感系数M的大小时需要考虑整个电流环路。例如,对于上述浮动静电容量示例中采用的细线(间隙10mm,并联长度100mm,直径1mm),只有相关部分的互感大约为40nH。
但电流始终需要返回的线路(地线等)。例如这个返回的线路采用较长的路径,如果两条线路距离下方的地面100mm,则互感增至约100nH。(因为这个估算未包括线路两端的电路,所以在考虑两端的电路后可能数值会更高)
相比之下,例如返回的线路采用最短的路径,如果线路距离下方的地面1mm,则互感降低到约为0.5nH。
如上所述,互感值会因电流返回线路的布设方式而有所差异。若要降低互感,需要减少线路两端的电路以及地面形成的电流环路总面积。

Electromagnetic induction

图4-2-5 电磁感应

(3) 如何降低电磁感应

为了降低电磁感应,通常会采用以下措施:

  1. (i)增加距离(降低互感)。
  2. (ii)缩小线路等的电流环路面积。
    电流环路应彼此垂直(降低互感)
  3. (iii)设置电磁屏蔽(用金属板盖住噪声源或受害方)。
  4. (iv)降低噪声源的电流。
  5. (v)将EMI静噪滤波器连接到接收器(旁通电容器,铁氧体磁珠等)

如上所列之一,下一节将讲述电磁屏蔽。

4-2-5. 电磁屏蔽

(1) 无需使用磁体就可以屏蔽磁场

电磁屏蔽的示例如图4-2-6所示。将一个金属板放在噪声源和受害方之间,以便切断穿过此金属板的磁通量。因为切断磁通量的这种效果主要是通过流经金属板的涡电流实现的,所以金属板不需要是磁体,但一定要流过电流。换言之,如果金属板内存在间隙,屏蔽效果会明显变差。
另外还要注意的是直流电流或低频波引起的磁场无法用电磁屏蔽来阻挡。这种情况需要使用磁屏蔽,后文将会讲述这点。

(2) 大多数情况需接地

原则上如图4-2-6(b)的电路所示,电磁屏蔽不需要接地。但如果屏蔽了一条电缆,电缆的两端就应该接地。这是因为将屏蔽内表面用作电流的返回线路,可以达到超小化电流环路面积的效果。例如,一种理想的屏蔽电缆是同轴电缆,这种电缆将外导体用作信号电流的返回线路。这就使得外部磁场的电流环路面积几乎等于零。
在多数静噪对策中,会同时涉及电磁感应和静电感应。因此如果用于电磁屏蔽的金属板接地,同时也可以用作静电屏蔽。所以许多情形中也会将电磁屏蔽接地。

Electromagnetic shield

图4-2-6 电磁屏蔽

 

4-2-6. 无线电波的发射和接收

(1) 距离增加时无线电波传输噪声

除了静电感应和电磁感应外,空间噪声传导还可能出现在转换为无线电波后,如图4-2-7所示无线电波在空间传播并干扰其他电路。
静电感应和电磁感应是出现在较近距离内的现象,感应降低的效果与距离的平方或立方成反比。所以可以将电路彼此分隔开。尽管经无线电波的干扰会随着距离而降低,但降低的程度并不大,所以噪声可传播的距离相对较远。
因此可以说近距离内的空间传导主要是由电场或磁场的感应造成的,而远距离内的空间传导主要是由无线电波的感应造成的。

(2) 近场和远场

这些现象是发射噪声的天线周围的电磁场结构所引起的。相对靠近天线的区域称为近场,相对远离天线的区域称为远场。大致而言,如图4-2-7所示转换的距离大约为到噪声源的λ/2π
转换距离与频率成反比。尽管10HMz的距离最远达到5m,但100MHz大约为50cm,1GHz大约为5cm。如果在常规的电子设备内部,就需要考虑1GHz以上频率范围(手机和无线局域网等使用的频率范围)内无线电波引起的感应。

(3) 波阻抗

在空中以无线电波传输的噪声的其中一个特征是电场与磁场的比例是恒定的(377欧姆)。电场与磁场的这个比率称为波阻抗。对于近场而言,电场或磁场会有一个强度较高,这可能会形成热点,使得波阻抗很高或很低。屏蔽效果会因此受到影响。由于远场的波阻抗是恒定的,所以屏蔽效果稳定。

(4) 天线

发送和接收无线电波的电路称为天线。要实现噪声抑制,就需要制造一个尽量不发射也不接收电波的电路。这意味着设计的电路不应该形成有效的天线。近场,远场和天线将在后文独立的章节内进一步讲述。

(5) 将电磁屏蔽用于屏蔽

如上所述,使用电磁屏蔽来屏蔽无线电波。这意味着电磁屏蔽会同时阻挡高频磁场和电场。电磁屏蔽的效果将在独立的章节内讲述。

Transition between near field and far field

图4-2-7 近场和远场的转换

 

4-2-7. 磁屏蔽

电磁屏蔽对包括直流磁场交流电源等超低频磁场没有任何效果。这种情况下,可采用磁屏蔽。磁屏蔽会如图4-2-8所示用磁体包围目标对象,将磁力线旁路引至磁体内,从而降低了目标对象周围的磁场。为了改善旁路效果,需要使用导磁率较大的更厚材料。

Magnetic shield (conceptual diagram)

图4-2-8 磁屏蔽(概念图)

 

4-2-8. 如何让屏蔽更轻

(1) 难以制造完美的屏蔽

为了完全阻挡空间传导(目标不低于40 dB),如图4-2-9所示需要用屏蔽材料覆盖住目标对象的所有外围。但屏蔽的部件大,重量和成本就是问题。

Shield configuration

图4-2-9 屏蔽配置

如图4-2-3和图4-2-5所示,即使只是在中间放置屏蔽板或是在极端的情况下,将地线敷设到有问题的线路两端(称为防护线),也具有一定程度的屏蔽效果。但这种不完整的屏蔽预期只能达到超高约10dB的效果。

(2) 消除导体传导区域内的噪声

电路需要一根天线来发射和接收噪声。如果可以在这根天线和电路之间插入EMI静噪滤波器来消除噪声,就可以消除噪声导体传导区域内的噪声,因此不需要屏蔽。

Suppression of spatial conduction using EMI suppression filters

图4-2-10 使用EMI静噪滤波器抑制空间传导

尽管通常将采用电容器和线圈的低通滤波器用作EMI静噪滤波器,但各元件对噪声抑制的优势会因噪声感应机制而有所差异。

(3) 静电感应滤波器

例如,如图4-2-11所示的静电感应,假定由于调和噪声的浮动静电容量CS的静电容量较小,而使得电路阻抗非常高。这种情况下,旁路电容器要比铁氧体磁珠等阻抗元件更有优势。

Example of filter configuration effective for electrostatic induction

图4-2-11 对静电感应有效的滤波器配置示例

 

(4) 电磁感应滤波器

对于如图4-2-12所示的电磁感应,重点是降低噪声源侧的电流以及噪声接收器侧的电压。阻抗元件对降低电流有优势,而旁路电容器则有利于降低电压。
上述阐释只是定性分析,阻抗的水平会因频率而异。但在考虑噪声感应机制的情形下选择电路,可以有效实施噪声抑制。

Example of circuit configuration effective for electromagnetic induction

图4-2-12 对电磁感应有效的电路配置示例


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“4-2. 空间噪声传导及其应对措施” 的重点内容

  • 静电感应是由电压引起的
  • 电磁感应是由电流引起的
  • 在相对远的距离内会经无线电波产生感应
  • 屏蔽用于阻挡上述感应
  • EMI静噪滤波器用于导体传导的区域内,无需任何屏蔽就能阻挡感应