使用单片 EMI 滤波器滤除拥挤环境中的共模噪声

多种因素 是 密谋增加“噪音”干扰的数量，这些干扰可能会干扰功能甚至损坏电子设备，首先是在任何给定时间我们附近使用的绝对数量。 

今天的汽车就是一个典型的例子。在一辆汽车中，您可以找到 Wi-Fi、蓝牙、卫星广播、GPS 系统、LED 灯、空调、动力转向、防抱死刹车、后视摄像头和其他仪表。许多项目也使用直流电机运行，包括电动座椅、可调节后视镜、挡风玻璃雨刷、电动车窗和天窗。 

同样的例子也适用于 Wi-Fi 或支持蓝牙的设备，如洗衣机、浓缩咖啡机、医疗器械甚至医疗植入物。

为了实现这一点，业界通常在各种配置中采用屏蔽和 EMI 滤波器来消除不需要的噪声。

然而，考虑到工作电路频率的增加、扩大受影响频率范围的高频噪声以及缩小源与受害者之间距离的电子设备的小型化，即使是一些用于消除 EMI/RFI 的传统解决方案也不再足够。 

如果这还不够，由于当今的电路在较低电压下工作，许多电子设备更容易受到噪声的影响，即使能量较少。 

这导致许多 OEM 避免使用诸如 2 电容差分、3 电容（一个 X 电容和 2 个 Y 电容）、馈通滤波器、共模扼流圈或这些的组合等选项，以获得更理想的解决方案，例如单片 EMI在更小的封装中提供卓越的噪声抑制的滤波器。 

EMI/RFI 噪声

当电子设备接收到强电磁波时，电路中可能会感应出不需要的电流并导致意外操作 - 或干扰预期操作。  

EMI/RFI 可以是传导或辐射发射的形式。当 EMI 传导时，这意味着噪声沿着电导体传播。当噪声以磁场或无线电波的形式在空气中传播时，就会发生辐射 EMI。 

即使从外部施加的能量很小，如果它与用于广播和通信的无线电波混合，就会在广播和通信无线电波所在的地方造成接收丢失、声音异常噪音或视频中断。很弱。如果能量太强，电子设备可能会损坏。

噪声源包括自然的，如静电放电、照明等来源；以及人为噪声，例如接触噪声、使用高频设备的泄漏、有害辐射（例如数字电路的谐波辐射、开关电源的辐射）等。

电子设备内部的电路甚至会产生噪声，并干扰同一电子设备中的另一个电路。通常，EMI/RFI 噪声是共模噪声，因此使用 EMI 滤波器（作为单独的设备或嵌入电路板）可以消除所有不需要的高频。这也有助于 OEM 满足大多数国家/地区的监管标准，这些标准限制了可以排放的噪音量。

EMI 滤波器

EMI 滤波器通常由连接在一起形成电路的无源元件组成，例如电容器和电感器。 

“电感器允许直流或低频电流通过 通过，同时阻断有害的不需要的高频电流。电容器提供了一条低阻抗路径，将高频噪声从滤波器的输入端转移回电源或接地连接，”Johanson Dielectrics 的 Christophe Cambrelin 解释说，该公司生产各种多层陶瓷电容器和 EMI 滤波器。

传统的共模滤波方法包括由电容器组成的低通滤波器，这些电容器通过频率低于选定截止频率的信号并衰减频率高于截止频率的信号。

一个常见的起点是在差分配置中应用一对电容器，在每个走线和差分输入的接地之间使用一个电容器。每个支路中的电容滤波器将 EMI/RFI 转移到指定截止频率以上的地。由于这种配置涉及通过两根导线发送相位相反的信号，因此提高了信噪比，同时将不需要的噪声发送到地面。

“不幸的是，带有 X7R 电介质（通常用于此功能）的 MLCC 的电容值随时间、偏置电压和温度而显着变化，”Cambrelin 解释说。“因此，即使这两个电容器在室温、低电压下紧密匹配，在给定时间，一旦时间、电压或温度发生变化，它们也很可能最终具有非常不同的值。两条线之间的这种不匹配将导致滤波器截止附近的响应不相等，因此它将共模噪声转换为差分噪声。”

另一种解决方案是在两个“Y”电容器之间桥接一个大值“X”电容器。“X”电容器分流器可提供所需的共模平衡效果，但会产生不良的差分信号滤波副作用。也许最常见的解决方案和低通滤波器的替代方案是共模扼流圈。 

共模扼流圈是一个 1:1 变压器，其中两个绕组都充当初级和次级。在这种方法中，通过一个绕组的电流会在另一个绕组中感应出相反的电流。不幸的是，共模扼流圈也很大、很重、很昂贵，并且容易发生振动引起的故障。

尽管如此，在绕组之间具有完美匹配和耦合的理想共模扼流圈对差分信号是完全透明的，并且对共模噪声具有非常高的阻抗。 

共模扼流圈的缺点之一 是由于寄生电容，频率范围有限。对于给定的磁芯材料，用于获得较低频率滤波的电感越高，所需的匝数和随之而来的寄生电容就越多，从而使高频滤波失效。

绕组之间机械制造公差的不匹配会导致模式转换，其中一部分信号能量转换为共模噪声，反之亦然。这会引起电磁兼容性和抗扰度问题。不匹配还会降低每条腿的有效电感。

当差分信号（通过）在与必须抑制的共模噪声相同的频率范围内工作时，共模扼流圈确实比其他选项具有主要优势。使用共模扼流圈，信号通带可以扩展到共模阻带。

单片 EMI 滤波器

尽管共模扼流圈很流行，但更好的替代方案可能是单片 EMI 滤波器。如果布局合理，这些多层陶瓷元件可提供出色的共模噪声抑制能力。它们将两个平衡并联电容器组合在一个封装中，具有互感抵消和屏蔽效果。Johanson Dielectrics 的这些滤波器在连接到四个外部连接的单个设备中利用两个独立的电气通路。

为防止混淆，应注意单片 EMI 滤波器不是传统的馈通电容器。尽管它们看起来相同（相同的封装和外观），但它们的设计却大不相同，并且它们的连接方式不同。

与其他 EMI 滤波器一样，单片 EMI 滤波器会衰减高于指定截止频率的所有能量，并且仅选择通过所需的信号能量，同时将不需要的噪声转移到“地面”。

然而，关键是非常低的电感和匹配的阻抗。对于单片 EMI 滤波器，终端在内部连接到设备内的公共参考（屏蔽）电极，并且板被参考电极隔开。在静电方面，三个电节点由两个容性半部形成，这些半部共享公共参考电极，所有参考电极都包含在单个陶瓷体中。

“由于非常平衡，单片 EMI 滤波器几乎不会将共模噪声转换为差分信号，反之亦然。此外，非常低的电感使其在高频下特别有效，”Cambrelin 说。

电容器两半之间的平衡也意味着压电效应相等且相反，相互抵消。这也会影响温度和电压变化，因此两条线路上的组件老化程度相同。 

“与共模扼流圈解决方案相比，该器件在更小的封装中提供了更多的 RFI 抑制。它还拒绝更宽的频带，”说康布雷林. 如果这些单片 EMI 滤波器有一个缺点，那就是如果共模噪声与差分信号的频率相同，它们就不能使用。 

“在这种情况下，共模扼流圈是更好的解决方案，”Cambrelin 说。尽管单片 EMI 滤波器最初的成本高于等效的普通电容器，但我们的客户告诉我们，它们的成本只是共模扼流圈成本的一小部分。

审核编辑 黄昊宇