如何使用EMI滤波器来抑制噪声

对于一个电子系统在实现需求功能的同时要控制电磁干扰（EMI）其实是一个重要且复杂的过程。世界各国的监管机构正在对电子系统的EMI问题采取严格的限制，这是因为在工业、商业以及消费类市场日益增长的电子设备数量，使得电磁兼容性设计（EMC）成为产品设计生产的一个必要环节。也就是说，各种电子系统在同一个环境下不产生干扰或者受到干扰后能正常运行，这种要求对工程师的能力提出了更高的要求。

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噪声辐射及抗干扰

“防止设备发出噪声”被称为“抑制发射”。“发射”意味着“从设备中发出噪声”。“防止设备受到噪声影响”被称为“对噪声的免疫”，“免疫”意味着“设备在不发生故障（性能下降）或损坏的情况下对噪声的抵抗能力”。虽然“EMS”（电磁敏感性）也用于指设备对噪声的敏感性，但“免疫”通常作为“发射”的反义词使用。

“EMC”（电磁兼容性）意味着不同的电子设备和系统在同一电磁环境中能够共存并正常运行，而不会相互干扰。它涉及确保电子设备对外部电磁干扰具有免疫能力，并且不会发射过多的电磁辐射干扰其他设备和系统。EMI（电磁干扰）意味着在电子系统中，由于电磁场的相互作用而引起的各种不良影响。这些影响可能包括电子设备的误操作、数据传输中的错误、信号质量下降等。

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噪声的传播路径

噪声从源头发出后，通过许多复杂的路径传播，有时通过导体传输，有时以辐射形式传播。当噪声到达设备或装置时，该设备或者装置就会受到噪声的影响。

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噪声抑制的原理

为了正确地抑制噪声，我们必须了解噪声的来源和传播方式。如果最初的检查不准确，我们无法判断噪声抑制技术是否失败，或者该技术是否应用在了错误的来源上。噪声抑制的原则是针对传导噪声使用EMI滤波器，针对辐射噪声使用屏蔽措施。

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用EMI滤波器抑制噪声的方法

为了使用EMI滤波器来抑制噪声，有以下三种方法可供选择：

1.使用不同的频率来区分信号和噪声。

2.在信号和噪声之间使用不同的传导模式。

3.使用非线性电阻器（压敏电阻器）来抑制高电压浪涌

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典型的滤波器

用于EMI的滤波器被分为以下四种类型：

低通滤波器（LPF）：该滤波器通过低于指定频率的信号，但衰减高于指定频率的信号。

高通滤波器（HPF）：该滤波器通过高于指定频率的信号，但衰减低于指定频率的信号。

带通滤波器（BPF）：该滤波器仅通过指定频率范围内的信号。

带阻滤波器（BEF）：该滤波器不通过指定频率范围内的信号。

大多数从电子设备中发射的噪声频率高于电路信号。因此，通常使用低通滤波器作为电磁干扰（EMI）滤波器，它只通过低于指定频率的信号，并衰减高于此频率的信号。

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插入损耗

电磁干扰（EMI）滤波器的抑制噪声性能是根据MIL STD-220规定的插入损耗测量方法进行测量的。通过在负载上插入滤波器和不插入滤波器时测量电压，并使用上述表达式确定插入损耗。插入损耗的单位用dB（分贝）表示。例如，当插入损耗为20 dB时，噪声电压降低到十分之一。

这个测量是在输入/输出阻抗为50Ω（50Ω系统）下进行的。然而，在实际电路中，输入/输出阻抗并不是50Ω，因此滤波器的性能会与50Ω系统有所不同。

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低通滤波器

最基本的低通滤波器包括以下两个组件：

1.在信号线和GND线之间安装一个电容器。（随着频率的增加，电容器的阻抗变得更低。因此，噪声被迫通过旁路电容器流向GND。）

2.在信号线串联安装一个电感器（线圈）。随着频率的增加，电感器的阻抗增加，防止噪声流入信号线。

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低通滤波器-数值与插入损耗的关系

在EMI问题出现的频带中，每当频率增加十倍时滤波器的插入损耗，将增加20 dB。当滤波器的数值（电容器的电容或电感器的电感）增加十倍时，滤波器的插入损耗将增加20 dB。从增加插入损耗的角度出发，可以使用组合滤波器。

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滤波器的输入输出阻抗

如上图所示，插入损耗是在输入和输出阻抗为50Ω的条件下进行测量的。然而，实际电路的阻抗并非都是50Ω。滤波器的实际效果取决于所在的电路的阻抗。一般来说，电容器在高阻抗电路中更有效地抑制噪声，而电感器在低阻抗电路中更有效。

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电容的插入阻抗特性

本文描述了电容型EMI波器的必要性和性能。理想的电容器插入损耗随着频率增加而增加。然而，实际的电容器插入损耗会在频率达到一定值（自谐振频率）后开始下降。

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电容的插入阻抗特性

电容器的插入损耗会在频率达到自谐振频率后开始下降，这是由于引脚等效串联电感和电容器电容串联。由于噪声无法通过旁路电容器传递到地线，所以插入损耗会下降。插入损耗开始下降的频率被称为自谐振频率。

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ESL的影响

当ESL相同时，无论电容器的电容值增加或减少，插入损耗在超过自谐振频率的频率下都不会改变。因此，为了在超过自谐振频率的高频率下实现更好的噪声抑制，必须选择具有较高自谐振频率（即ESL较小）的电容器。

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典型电容的插入损耗特性

上图显示了典型电容器插入损耗测量的示例。对于引线式电容器，插入损耗是将引线剪断至1毫米进行测量的。

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电容ESL的典型值

上表显示了电容器的典型ESL值，这些值是从13部分电容典型插入损耗图所示的阻抗曲线计算得出的。

ESL的数值因电容器类型而异。同一类型的电容器中，ESL也可能因介质材料和电极结构的不同而有所变化。

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三端电容结构

对于引线式的双端电容器，ESL较大，因为引线起到了电感的作用。

通过采用三端结构，ESL降低了。因此，插入损耗比两端电容器更低。

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典型三端特片电容

上图显示了贴片三端电容器的结构模型。每个介质片上都有电极。输入和输出端子分别位于两端，并通过电极连接。这种结构允许信号电流通过电容器。通过在两侧接地，减少了对地端上的ESL。这种结构具有非常低的ESL，提供了更高的自谐振频率。

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穿心电容

还有一种电容器的结构，其中地电极环绕介质，信号端子穿过介质。通过在屏蔽壳上开孔，并将地电极直接焊接到屏蔽壳（板）上，使用馈通电容器。由于这种类型的电容器在地端和信号端都没有ESL，它可以提供几乎理想的插入损耗特性。

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等效串联电阻的影响

导致电容器特性不理想的第二个因素是等效串联电阻（ESR）。由于电极和材料引起的ESR会导致插入损耗降低。陶瓷电容器的ESR非常低，而铝电解电容器的ESR较高。

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非理想电感的影响

前文已经说明了由于等效串联电感和等效串联电阻的存在，所以电容器的插入损耗并不理想。电感器的插入损耗实际也不会理想。当频率超过自谐振频率时，电感器的阻抗开始降低，因为随着频率的增加，杂散电容的阻抗也会降低。因此，噪声会绕过电感器。

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铁氧体磁珠电感

通常用于电感器型EMI滤波器的引线磁珠电感器具有简单的结构，其中进线端子穿过磁珠芯，可以减小串扰电容。上图（b）显示了阻抗特性的一个例子。该图表明，由于串扰电容较小，这种类型的电感器具有优异的特性，其自谐振频率为1 GHz或更高。

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了解铁氧体磁珠电感

除了小的杂散电容之外，磁珠电感器还有另一个特点，就是在高频下，这种类型的电感器不再作为电感器工作，而是作为电阻器，将噪声以热的形式耗散。

上图显示了磁珠电感器和线圈在高频滤波电路中所展示的阻抗曲线的示例。"Z"代表阻抗，"R"代表电阻。在磁珠电感器中，"R"值较高。

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贴片铁氧体磁珠电感结构

上述图示了贴片磁珠电感器的结构。电极被印刷在磁珠片上，形成通孔电极。这些片材被叠放在一起形成贴片电感器。当需要更大的阻抗时，每片上的电极通过通孔相连，形成绕线电极类型的贴片电感器。

与一般的电感器不同，这两种芯片类型的设计使杂散电容较小。

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贴片铁氧体磁珠电感的阻抗特性

对于磁珠电感器来说，阻抗的变化取决于材料和内部结构。上述图表显示了随着阻抗变化而变化的信号波形的示例。信号频率为10 MHz。在选择磁珠电感器时，需要考虑噪声频段的阻抗以及阻抗梯度。

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差模和共模噪声

根据传导模式，噪声可分为两种类型。

1.第一种类型是差模噪声，它在信号（VCC）线和GND线上相反方向传导。可以通过在信号线或电源线（VCC端）上安装滤波器来抑制这种噪声，正如前文中所提到的。

2.第二种类型是共模噪声，它在所有线路上以相同的方向传导。例如，对于交流电源线来说，噪声会在两根线路上以相同的方向传导。而对于信号电缆来说，噪声会在电缆中的所有线路上以相同的方向传导。

因此，为了抑制这种类型的噪声，需要在所有传导噪声的线路上安装EMI滤波器。

在上述示例中，采用了以下两种抑制方法：

1.通过分别在信号线和GND线上安装电感器来抑制噪声。

2.使用电容器将金属外壳连接到信号线上。这样，噪声会按照以下顺序返回到噪声源：信号/GND线路 ➝ 电容器 ➝ 金属外壳 ➝ 杂散电容 ➝ 噪声源。

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通过共模扼流圈抑制噪声(1)

共模扼流圈用于抑制共模噪声。这种类型的线圈是通过在一个铁氧体磁心上绕制信号线或电源线而制成的。

由于磁通流经铁氧体磁心内部，共模扼流圈对共模电流起到电感器的作用。因此，使用共模扼流圈可以提供更大的阻抗对抗共模电流，并且比使用多个普通电感器更有效地抑制共模噪声。

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通过共模扼流圈抑制噪声(2)

由于磁通在铁氧体芯中相互抵消，差模电流不会产生阻抗。磁饱和问题很小。共模扼流圈适用于具有大电流流动的线路上的共模噪声抑制，例如AC/DC电源线路。由于它们不会影响信号波形，因此也适用于信号波形失真会引起问题的线路上的共模噪声抑制，例如视频信号线路。

上述图表显示了直流共模扼流圈的阻抗特性示例。实际特性还包含差模阻抗，必须考虑到这一点当电路中使用共模扼流圈时信号波形显著改善的时候。

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直流电路的噪声抑制示例

上图显示了直流电路中噪声抑制的一个例子。

直流电源输入部分：

在直流电源线路的输入部分安装了一个共模扼流圈来抑制共模噪声。（这个线圈可以用两个铁氧体磁珠电感器代替。）通过在供电线路上安装三端电容和铁氧体磁珠电感器来抑制差模噪声。

视频信号输出部分：

通过使用共模扼流圈来抑制传输到视频信号输出部分的共模噪声。

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交流电源电路的噪声抑制示例

上面的图示是一个交流电源电路中噪声抑制的例子。

通过在每条线路和金属外壳之间安装共模扼流圈和电容（旁路电容或Y电容），可以抑制共模噪声。Y电容将噪声按以下顺序返回到噪声源：Y电容➝金属外壳➝杂散电容➝噪声源。

通过在供电线路上安装电容器（X电容器），可以抑制差模噪声。

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压敏电阻抑制浪涌保护电路

电压变阻器被用于保护电路免受高电压浪涌的影响。

当高电压浪涌作用于电路时，通常会对电路造成灾难性后果。可以在信号线上安装电容器，但是这个电容器不能抑制高压浪涌。

因此，当需要对电路进行浪涌保护时，会使用电压变阻器作为电压保护设备。当施加的浪涌超过指定电压（电压变阻器电压）时，电压变阻器将抑制电压以保护电路。

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压敏电阻特性

当浪涌电压不超过电压变阻器的电压时，电压变阻器起作用类似于电容器。然而，当浪涌电压超过电压变阻器的电压时，电压变阻器两端的阻抗急剧下降。由于电路的输入电压取决于电压变阻器的内部电阻和线路阻抗，电压变阻器两端阻抗的降低使得突波电压被抑制。

电压变阻器选择的一个关键点是它能够承受峰值脉冲电流。峰值脉冲电流是指在5分钟间隔内，即使在脉冲上升宽度为8微秒、半宽度为20微秒的情况下，电压变阻器的电压变化不超过10%的最大电流。如果峰值脉冲电流额定值不足，则电压变阻器可能会受到损坏。

审核编辑：黄飞