EMI静噪滤波器(EMC・噪声对策)静噪元件/EMI静噪滤波器

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主题一

数字信号线噪声抑制

1-1.简介

在我的大学时期,每当在计算机旁收听调频收音机时,收音机总会发出噪声。当时,我并不知道原因所在,甚至从未想过加入公司后我会面临这个问题。当我开始涉足实际的噪声抑制工作时,往往非常困难,有时甚至花费数月时间。主要原因在于:

  • (1)不知道噪声是从哪里产生的(噪声源)以及噪声是如何传导的;
  • (2)适当的噪声抑制方法难以掌握。

当正确的噪声抑制方法尚未明确时,各种想法在我脑海中闪现:例如,也许当时处理的零部件是错误的,我应该处理另一个零部件。某种噪声抑制方法(如滤波)对一套设备有效,却对另一套设备不起作用,也并非罕见事件,令我有些不知所措。

因此,我觉得有必要探讨系统化的噪声抑制方法进以及正确的滤波器选择方法。作为我研究的一部分,我研究了不同电路对相同噪声滤波器的噪声抑制效果差异的原因和其他因素,并将其作为具体示例进行了总结。本文将进行详述。



1-2.数字信号噪声的成因及对策

在我学生时代碰到的噪声中,计算机的时钟频率约为4MHz。但是,例如在日本,用于调频广播的频段为76MHz或更高。噪声源的时钟频率不会与广播频率重叠。那问题为什么会出现呢?数字信号是由基波正弦波和其整数倍的谐波组成的方波,如图A所示。方波的上升越急剧,其包含的高次谐波分量越高。这意味着实际的数字信号具有与调频广播频带重叠的谐波分量,从而导致调频收音机的声音中产生噪声。

图A. 数字信号波形的频率成分

因此,基本的噪声抑制方法就是消除数字信号的谐波。当谐波被消除时,波形的上升时间和下降时间会延迟(波形变形)。因此,必须选择一种滤波器,将谐波消除到不妨碍电路工作的适当程度。

图B. 根据频率分离信号和噪声


1-3.典型的噪声滤波器及使用示例

1-3-1.典型的噪声滤波器

您会想到以电容器、电阻器和铁氧体磁珠作为用于信号线的典型滤波器。以下简单描述其功能:

  • - 电容器
    随着频率升高,电容器阻抗降低。因此,通过信号线和接地线之间的并联连接(并联),信号的高频分量(噪声)被旁路到接地线。
  • - 电阻器
    吸收能量的电阻分量。
  • - 铁氧体磁珠
    铁氧体磁珠是一种电感器。随着频率升高,其阻抗上升。因此,它与信号线串联以吸收或反射噪声。在普通电感器中,电抗分量X占主导地位,但为了增加能量损耗,选择可以增加电阻分量R的铁氧体材料用作铁氧体磁珠。因此,铁氧体磁珠的噪声抑制效果比普通电感器更佳。电抗分量X是无损分量。
图A. 用于信号线的典型滤波器


专题:什么是滤波器插损?

为了显示滤波器的效果,使用插损特性(IL)。这样可以表明滤波器的安装在多大程度上衰减了信号。该方法在MIL-STD202等中作了规定。请注意,这些值是在输入/输出阻抗为50ohms的情况下测得的。如果实际电路的阻抗不是50ohms,滤波器的效果将会不同。

滤波器插损特性

专题:什么是滤波器的截止频率?

截止频率是以下频率:(1)可以通过滤波器平衡的功率(2)不能通过滤波器的功率。

换言之,就是输出功率为输入功率1/2时的频率。由于W为V2/R,因此电压为1/√2。如果问及滤波器的适当截止频率,我的回答是,截止频率比基本频率高出大约3至5倍。这是因为应该保留大约3次到5次谐波以保持方波。但是,如果电路的输入/输出阻抗不是50ohms,截止频率将会不同,所以这只是作为指引。

示波器规格中的1GHz频带表示该截止频率,以便参考。这意味着是以3dB的衰减观察1GHz信号。由于信号在探针处也发生衰减,有必要使用带宽比测得频率范围更宽的测量设备。

滤波器截止频率

专题:什么是特性阻抗?

大家应该经常听到,电视天线电缆的特性阻抗为75ohms,测量设备的特性阻抗为50ohms。简言之,特性阻抗表示每单位长度的阻抗。如果由电阻分量引起的损耗可以忽略不计,则可以从(1)每单位长度的电容(F/m)和(2)每单位长度的电感(H/m)计算得出。分子和分母都有(/m)并被取消,这令人难以理解。

什么是传输线特性阻抗?

1-3-2.电容器、电阻器和铁氧体磁珠的插损

图A显示了电容器、电感器和电阻器的插损特性。它们用50ohm系统测得。其形状类似于阻抗曲线。

图B显示数字信号电路等效电路的例子。在本例中,输出电阻为20ohms,输出电容为10pF,负载电容为5pF。这意味着它不是50ohm的系统。

图A. 电容器、电阻器和铁氧体磁珠的插损示例
图B. 数字信号等效电路(IC LVC)示例


1-4.典型滤波器的使用示例

本节介绍实际数字电路中使用的每种产品(不是50ohm系统)的波形,以及辐射噪声抑制效果的实际测量示例。使用安装在距离装置3m处的天线测量辐射噪声。辐射噪声图上的粗黑线表示国际噪声标准CISPR 32的极限值。

1-4-1.使用电容器抑制噪声的示例

首先,我将介绍用电容器抑制噪声的效果。

由于负载容量为5pF,有必要使电容器的阻抗低于负载容量,因此我将100pF连接到分流器。图B显示了结果。由于安装了电容器,辐射噪声衰减了大约4dB。

图C显示了对安装电容器是否减少了流向信号线的电流的测量结果。结果表明,在安装之后,电容器和负载之间的信号线中的电流减少了。

问题在于传输IC和电容器之间的电流高于初始状态。这是因为增加电容器会增加IC的负载。因此,如果将电容器用于时钟等的信号线,则可能会增加功耗。另外,流向接地线的电流也会增加,所以会提高接地线的噪声水平。因此,在PCB(例如总线)的信号线上排列电容器比较少见。

     

然而,功耗增加的问题在诸如外部接口的低速线路中并不重要。而且,添加电容器可以提高电路的抗静电能力。因此,可以将电容器加入到低速外部接口连接部分。

图A. 评估基板
图B. 辐射噪声及使用电容器的电流频谱
图C. 使用电容器的电流频谱

1-4-2.使用电阻器抑制噪声的示例

电阻器是经常用于信号线噪声抑制的产品。

图B显示了安装电阻器时的波形和辐射噪声。

安装一个电阻器可以减少波形的振铃(过冲/下冲)。振铃是由输出和负载之间信号的多次反射引起的。电阻器通过减少多次反射来抑制振铃。

电阻器还通过抑制电流来降低辐射噪声。电阻器使用简单,因为它不像电容器那样增加IC的输出电流。

但是,如果为了改善噪声抑制效果而增加电阻值,则波形的变形可能变大(信号的上升和下降时间可能变长),或者波峰值可能下降。此外,这还会降低电源线中的电源电压。

图A. 评估基板
图B. 安装电阻器时的波形和辐射噪声

1-4-3.使用铁氧体磁珠抑制噪声的示例

开发铁氧体磁珠是为了获得更好的噪声抑制效果,使信号波形变形小于使用电阻器。其阻抗在信号频带处较小,在噪声频带处较大。虽然是一种电感器,但是为了消除噪声成分,选择主要由电阻成分(增加损耗的材料)构成的材料。

一般来说,电感器的规格用电感(H: henry)表示,铁氧体磁珠的规格用电阻值(ohm)表示。其目的是使得更换阻尼电阻时容易想象信号和噪声的影响。显示100MHz处的阻抗原因在于,当开发铁氧体磁珠时,数字设备的信号频率范围大约高达10MHz,并且相关的噪声频率范围大约为200MHz至300MHz,因此选择100MHz(中间频率)作为指导频率。 近来,高频范围内的噪声越来越成为问题,因此除了100MHz处的阻抗外,还可以指定1GHz处的阻抗,使用铁氧体磁珠抑制噪声。

当用于电力线时,铁氧体磁珠可以通过减小直流电阻来抑制电源电压的降低。

图A. 安装铁氧体磁珠时的波形和辐射噪声


1-5.取决于传输线长度的噪声抑制效果差异

1-5-1.取决于传输线长度的铁氧体磁珠噪声抑制效果差异

上一节介绍的铁氧体磁珠抑制噪声的例子显示传输线长度为5cm的数据。

为了调查噪声抑制效果在各组之间变化的原因,我还准备了具有10cm长和20cm长传输线的基板。其电路组成和基板外形是相同的。只有传输线长度不同。图B显示了辐射噪声的测量结果。

在安装滤波器之前,它们的辐射噪声有点不同,但峰值频率和电平是相似的。但是,铁氧体磁珠安装后的噪声抑制效果因传输线长度而有很大差异。在辐射噪声峰值375MHz时,在传输线长度为5cm的情况下噪声降低了13dB,但在20cm的情况下仅降低了2dB。

像这样,当电路条件只有传输线路长度不同时,滤波器的噪声抑制效果发生改变。这就是为什么噪声抑制方法对一组设备有效,却对另一组不太起作用。

图A. 评估基板
图B. 取决于传输线长度的铁氧体磁珠噪声抑制效果差异

1-5-2.分析噪声抑制效果差异的原因

我们测量了传输线上的电压和电流分布,以研究铁氧体磁珠的噪声抑制效果根据传输线长度发生变化的原因。使用电压探针和频谱分析仪测量电压。使用磁场探针和频谱分析仪测量电流。使用校准板推导出从磁场探针的测量值到实际电流值的转换。

图B显示了传输线长度为20cm时的电压分布和电流分布测量结果。由于不进行阻抗匹配,所以信号在输入和输出之间反射,并且电压和电流视在传输线上的位置而变化。根据在传输线上的位置呈现出如下趋势:频率越高,差异越大。

图A. 电压和电流分布的测量方法
图B. 电流和电压分布的测量结果(传输线长度为20cm的情况)

我们测量了传输线上的电压和电流分布,以研究铁氧体磁珠的噪声抑制效果根据传输线长度发生变化的原因。使用电压探针和频谱分析仪测量电压。使用磁场探针和频谱分析仪测量电流。使用校准板推导出从磁场探针的测量值到实际电流值的转换。

图B显示了传输线长度为20cm时的电压分布和电流分布测量结果。由于不进行阻抗匹配,所以信号在输入和输出之间反射,并且电压和电流视在传输线上的位置而变化。根据在传输线上的位置呈现出如下趋势:频率越高,差异越大。

1-5-3.由安装铁氧体磁珠引起的电流分布变化

由于该基板中的辐射噪声是基于电流的,我比较了安装铁氧体磁珠之前和之后的电流分布。在原型评估基板中,根据在传输线上的位置,铁氧体磁珠在375MHz处的噪声抑制效果有特别大的差异,所以我专注于375MHz这个频率。图A显示了每条传输线长度的测量结果。与辐射噪声一样,传输线越短,375MHz处的电流分布越小。传输线长度为5cm时,整体电流下降,峰值电流与辐射噪声一样下降了13dB。传输线长度为20cm时,电流没有下降太多,峰值电流与辐射噪声一样仅下降了2dB。

图A. 电流分布随传输线长度而变化的差异(375MHz)

1-5-4.原因分析

事实证明,电流分布的变化与辐射噪声的变化相关,所以我比较了安装铁氧体磁珠之前不同传输线长度的电流分布。

重点关注铁氧体磁珠安装位置的电流分布情况,结果发现,传输线长度为5cm和10cm时电流较大,噪声抑制效果很好。另一方面,在传输线长度为20cm,噪声抑制效果较小的情况下,滤波器安装位置处的电流非常小,电流的峰值远离滤波器安装位置,换句话说就是略微靠近负载侧。

图A. 滤波器安装位置处的电流值比较(安装滤波器前,375MHz)
图B. 安装滤波器前后的电流分布比较(传输线长度为20cm,375MHz)

然后,通过将电压值除以电流值来计算阻抗。在传输线长度为5cm和10cm时,滤波器安装位置处的阻抗略小于100ohms,但是传输线长度为20cm时,该阻抗非常高,约为1kiloohm。由于铁氧体磁珠是阻抗分量,安装位置处的阻抗低,噪声抑制效果好,但是如果安装位置处的阻抗高,则难以实现充分的噪声抑制效果。传输线长度为20cm的情况下,当铁氧体磁珠的阻抗为166ohms时,滤波器安装位置处的阻抗较高(1kiloohm),似乎没有达到足够的噪声抑制效果。

图C. 滤波器安装位置处的阻抗比较(安装滤波器前,375MHz)
图D. 安装的铁氧体磁珠阻抗(BLM18AG 120ohm)

1-5-5.取决于传输线长度的噪声抑制效果差异

上述研究表明,传输线的电流和电压根据在线路上的位置而变化,并且电流和电压分布也视频率不同而变化。结果还表明,电流和电压分布的差异会影响铁氧体磁珠的噪声抑制效果。

在这些研究中,我一直重点关注375MHz这个频率。接下来,我研究了噪声抑制效果如何随频率而变化。研究中使用了峰值电流插损。峰值电流插损是指未安装滤波器的传输线的峰值电流减去安装滤波器时在每个频率处的电流,如图B所示。它可以用作滤波器的辐射噪声抑制效果的参考指标。图C显示了传输线长度为5cm、10cm和20cm时峰值电流插损的测量结果。结果表明,铁氧体磁珠的噪声抑制效果变小的频率根据传输线路长度而变化。

图C表明,在常规C-MOS数字电路下,传输线长度为5cm,频率为1GHz或以下时,铁氧体磁珠可能实现充分的噪声抑制效果。相反,当传输线长度较长时,铁氧体磁珠难以实现充分噪声抑制效果的频率可能变得明显。

图A. 安装铁氧体磁珠时的辐射噪声(BLM18AG 120ohm)
图B. 安装电容器时的辐射噪声(10pF)
图C. 安装铁氧体磁珠和电容器时的辐射噪声和信号波形(BLM18AG 120ohm + 10p)

1-5-6.铁氧体磁珠和电容器组合的效果

在所讨论的375MHz的频率下,由于滤波器安装位置处的阻抗较高,铁氧体磁珠无法获得充分的噪声抑制效果。在这种情况下,电容器可以有效地工作,通过降低传输线和接地线之间的阻抗,将来自传输线的噪声电流旁路至接地线。因此,我考虑使用电容器。

首先,我移除铁氧体磁珠,并在传输线和接地线之间安装一个容量相对较小(10pF)的电容器。结果,噪声在某些频率处得到抑制,但在其他频率下无效。

当安装位置处的阻抗较低时,铁氧体磁珠可以实现出色的噪声抑制效果。另一方面,当安装位置处的阻抗较高时,电容器可以实现出色的噪声抑制效果。因此,我安装了一个电感器和一个电容器。此时,在很宽的频率范围内实现了出色的噪声抑制效果。在375MHz时,噪声比未安装滤波器的情况降低18dB。如此一来,如果铁氧体磁珠无法单独实现足够的噪声抑制效果,与电容器的组合则可以得到出色的噪声抑制效果。

此外,我还确认了仅安装铁氧体磁珠时以及与电容组合时的波形。

由于增加的电容器的容量相对较小(10pF),即使在增加电容器25MHz之后,波形的变形也几乎没有影响。

图A. 信号线滤波器选择规则
图B. 安装电容器时的辐射噪声(10pF)
图C. 安装铁氧体磁珠和电容器时的辐射噪声和信号波形(BLM18AG 120ohm + 10p)


1-6.信号线滤波器选择规则

到目前为止,我已经解释了如何针对信号线选择滤波器以有效抑制噪声的研究细节。

如果传输线较短,阻抗元件(如电阻器或铁氧体磁珠)可能会抑制噪声。但是,如果传输线较长,阻抗增加,可能导致无法实现充分的噪声抑制效果。此时,可以考虑增加一个电容器。这种对策也有望增强电缆连接中的静电放电(ESD)效果。

图A. 信号线滤波器选择规则


Key points 小结

  • - 通过消除数字信号谐波来实现数字电路噪声抑制。
  • - 用于抑制噪声的主要产品包括电容器、电阻器和铁氧体磁珠。
  • - 即使采取相同的对策,噪声抑制效果也会因噪声路径的模式长度、对策所采用产品的安装位置等而异。
  • - 当模式长度较长时,铁氧体磁珠和电容器的组合能够起到抑制噪声的作用。

到下一章: 第2章 如何根据数字电路的特性选择铁氧体磁珠