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村田噪声抑制基础教程-第二章 产生电磁噪声的机制

已有 508 次阅读2014-10-12 15:58 |个人分类:技术分享| 关键词: 电磁兼容, EMC, EMI

2-1. 简介

第1章讲述了由电磁噪声所引起干扰的机制及抑制噪声的概述。噪声抑制主要是以使用屏蔽和滤波器作为典型手段,在噪声传播的路径中实现噪声抑制。为了有效使用这些手段,对电磁噪声产生和传播机制的充分了解就尤为重要。

就噪声源而言,充分参考第1章中说明的噪声产生的原理,有三种因素: 噪声源、传播路径及天线(假设噪声干扰最终是以电磁波形式传播,天线亦包含在内)[参考文献 1],如图2-1-1(a)所示。如果是作为噪声受害者,可以使用完全相同的原理图,即图2-1-1(b)中所示,只需将图左右翻转,并将噪声源改为噪声接收器。这就意味着可以认为产生和接收噪声两种情况的机制是相同的。

因此,为了充分了解噪声干扰机制,第2至5章的侧重点都是关于噪声源方面,并介绍了噪声产生、传播和发射机制的基本原理。在这些章节中,也对切断噪声的屏蔽和接地连接进行了简要说明。在之后的章节中,将对另一个重要因素“滤波器”进行详细的说明。

首先,第2章将对噪声产生的机制进行说明。

 

村田噪声抑制基础教程-第二章 产生电磁噪声的机制

图2-1-1 EMC的三个因素

2-2. 噪声源

有各种不同的情况会产生可以成为噪声源的电流。例如,一个电路的运行需要某一信号分量而对其他电路产生了问题。另一种情况,尽管没有电路需要此信号分量,但也不可避免产生噪声。有时噪声可能是由于疏忽而造成的。当然,噪声抑制的思维方式视每种情况而异。但如果您能了解特定的噪声是如何产生的,则处理将会变得较为容易。

在本章节中,我们将采用以下三种噪声源典型案例,介绍产生噪声的机制及一般应对策略。

  • 信号
  • 电源
  • 浪涌
2-2-1. 信号成为噪声源或受害方时

在本章节中,我们将主要用于传递信息的线称为信号线。通常为了通过电路传输信息,总是需要一定量的电流,即使是非常小的电流。随后,电流周围便产生了磁场。当电流随着信息而发生变化时,会向周围发射无线电波,从而便产生了噪声。

随着信息量的增加,通过信号线的电流频率也随之增加,或可能需要更多的信号线。通常,电流频率越高,或信号线数量越多,发射的无线电波强度就越大。因此,电子设备的性能越高、处理的信息量越大、电子设备中所使用的信号线越多,就越容易产生噪声干扰。

传输信息的电路大致可分为模拟电路和数字电路,分别使用模拟信号和数字信号。从电路噪声的角度出发对其一般特性做如下说明。

 

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图2-2-1 模拟信号和数字信号

(1) 模拟电路

当模拟电路为噪声源时,一般产生的噪声较少,因为模拟电路使用有限频率,并采用控制电流流动的设计情况较多。

但如果有能量外泄,则仍会产生噪声干扰。例如,电视和广播接收器采用一个具有恒定频率的信号,此频率称为本地震荡频率,以便从天线接收的无线电波中有选择地放大目标频率。如果此频率泄漏到外部,则可能对其他设备产生干扰。为了防止发生此情况,调谐器部分会被屏蔽,或在线路中使用EMI静噪滤波器。

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图2-2-2 使用EMI静噪滤波器(穿心电容)的电子调谐器示例

相比之下,从噪声受害方考虑,由于模拟电路经常处理微弱信号,哪怕微小的波动信息都会受到影响,电路往往容易成为噪声受害方。例如,如果噪声进入音频放大电路的第一级(从麦克风进入等),扬声器会检测到噪声并进行放大,从而产生很响的噪声。为了防止发生此情况,高灵敏音频放大器会被屏蔽,或在线路中使用EMI静噪滤波器。

村田噪声抑制基础教程-第二章 产生电磁噪声的机制图2-2-3 模拟电路中特定频率处容易产生噪声

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图2-2-4 以EMC为例模拟电路的特性

 

(2) 数字电路

把数字电路作为噪声源来看,由于在很短的时间内会发生0与1信号电平之间的转换,其中包含了极宽范围的频率成分,因此数字电路很可能成为噪声源。为了防止发射出噪声,因此在数字信号中使用了屏蔽和EMI静噪滤波器。数字电路产生的噪声是一个很重要的课题,并会在第2-3节中详细说明,其不仅与信号有关,而且还与电源有关。

但把数字电路作为噪声受害方来看,只有0和1两种状态(之间没有其他状态)来表示信号,且具有相对较大的幅值。另外,即使有微弱的感应也不会影响信息,因此不太会成为噪声受害方。但如果达到很高电平噪声,则即使只有一瞬间,数据也会发生完全改变。因此,其对于静电放电之类的脉冲噪声是一个弱点。(静电放电也简称为ESD)

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图2-2-5 数字电路对噪声具有较高的承受力,但更容易发出噪声

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图2-2-6 以EMC为例数字信号的特性

2-2-2. 电源成为噪声源时

由于电源本质上就是一个电路,仅提供直流电或商用频率,应该不太可能成为电磁噪声的起因或途径。但在许多情况中,其实际上成为了噪声的起因或途径。这是由于以下原因所导致的:

  • 即使电压看似稳定,但其电流可能包含了大量的高频电流以运行电路
  • 由于电源线在电路中是共享的线路,因此噪声会循环并会影响整个电路
  • 特别是接地往往是整个设备共享的,并提供了一个共同的电势,很难将其分离
  • 由于电源是设备的能量来源,噪声能量也会变大

电源产生噪声的典型例子是接触噪声和开关电源。

接触噪声是噪声的一种,是在用开关打开/关闭电源电流时在接触点产生的噪声(关闭时噪声尤其强大),与2-2-3(2)节中描述的开关浪涌具有相同的含义。详细说明,请参见2-2-3节。由于产生了很高的电压,且短暂而又高频电流的流动传播无线电波,所以会造成电路故障或导致周边电子设备故障。

开关电源是通过使用半导体使电流间歇性流动,来改变电压和频率的一种电路。由于中断电流部分产生高频能量,当此能量泄漏到外部时便会造成噪声干扰。例如,图2-2-7中所示的断路器型DC-DC转换器通过使用晶体管使直流电流间歇性流动而输出电压。此类间歇性电流内含高频能量。尽管大部分能量通常被输入电容和/或输出平滑电路所吸收,但即使是少量泄漏也会成为周边电路的噪声源。为了消除开关电源时产生的噪声,除了输入电容器和/或输出平滑电路以外,还使用了LC低通滤波器(通过改善输入电容器和输出平滑电路的性能,也可以抑制噪声)。

除了DC-DC转换器以外,驱动电机的逆变器也是能产生噪声的开关电源的一种类型。

村田噪声抑制基础教程-第二章 产生电磁噪声的机制(断路器型降频转换器的简单模型)

图2-2-7 由DC-DC转换器产生噪声的机制

 

相比之下,把电源作为噪声受害方来看,电源是相对较难受到影响的电路。由于内部使用的能量较大,所以不容易受干扰的影响。

但电源可以是噪声传导的路径。如图2-2-8中所示,电源线是电子设备相互直接连接的导体,是噪声的一个重要传导路径。例如,当电子设备受到噪声影响时,或当电子设备发射噪声时,交流电源线便成为噪声的出入口。因此,很多电子设备在电源线中使用了EMI静噪滤波器。图2-2-9所示为交流电源EMI静噪滤波器的配置示例。

由于电源所使用的EMI静噪滤波器通常会吸取比信号电流明显更大的电流,因此需要有大电流吸取能力的元件。

 

村田噪声抑制基础教程-第二章 产生电磁噪声的机制图2-2-8 通过交流电源线连接电子设备

村田噪声抑制基础教程-第二章 产生电磁噪声的机制图2-2-9 交流电源线EMI静噪滤波器的配置示例

村田噪声抑制基础教程-第二章 产生电磁噪声的机制图2-2-10 以EMC为例电源电路的特性

2-2-3. 浪涌产生的噪声

由于静电放电或开关切换而意外产生的过高电压或电流称为浪涌。由于电压和/或电流的电平明显大于正常电路运行的情况,因此会引起故障或损坏电路。为了防止发生此情况,在浪涌会进入的线路中使用了浪涌吸收元件。
典型的浪涌是静电浪涌、开关浪涌和雷击浪涌等。浪涌是EMC措施的主要类别之一。总结如下:

(1) 静电浪涌

如图2-2-11中所示,浪涌是一个短暂的噪声,是当人体或设备中所承受的非常小(约数个100pF)的浮动静电电容中积聚的电荷,释放到电子设备或周围物体上时便会发生。尽管其能量很小,但其电压会高到几个kV或更高,且有较大电流瞬间流过。因此,如果直接施加在电路上,则会损坏电路。即使未直接施加,但当信号线受到电磁感应或当电源或接地的电势有波动,电路就可能会产生故障。

以IEC61000-4-2为例进行模拟静电浪涌测试。请参考测试详细内容。
如图2-2-12所示,为了减少静电荷干扰,

  • 用绝缘体覆盖以阻止放电,或者用金属覆盖转移电荷。
  • 通过一个不影响电路的通路释放放电电流(释放到大地,以免流入信号接地: SG)。
  • 使用适当的浪涌吸收元件。

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图2-2-11 静电浪涌的进入

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图2-2-12 静电浪涌保护电路方法

 

(2) 开关浪涌

当因继电操作或切换开关而使电流突然变化时(特别在关闭电路时),由于电路的固有电感,在接触点会遭受瞬时高电压。此现象称为开关浪涌。2-2-2节中提到的接触噪声是由开关浪涌引起的噪声。

由于产生了过高的电压,因此会产生如图2-2-13和2-2-14所示的电火花,或通过接触点的浮动静电电容与电感产生谐振,由于强烈的阻尼振荡电流而可以传播无线电波。因此,会损坏共享电路的其他电子设备,或造成设备故障。由于此阻尼振荡电流中包含高频成分,因此会对收音机和电视机造成接收干扰。

由于产生阻尼振荡电流的谐振是噪声抑制中的一个重要课题,因此会在其他章节中作进一步说明。

除了继电器和开关以外,由直流电机产生的噪声也常常是由整流子切换电流而产生的。因此,这也可以认为是开关浪涌的一个类型。

如图2-2-15所示,为了减少开关浪涌的干扰,

  • 在接触点使用电容器、压敏电阻和缓冲电路等浪涌吸收元件。
  • 提供屏蔽切断所有电磁效应。
  • 将EMI静噪滤波器用于噪声传递线路和受影响电路。

为了只通过屏蔽和滤波器达到一定的改善,了解哪些部分会是噪声的路径和天线尤其重要。例如,在图2-2-15中,仅屏蔽开关部分在大多数情况下不会有任何改善(由于屏蔽外部的线路起到了天线的作用,并发射大量无线电波)。

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(拔出烤箱的电源插头时发出火花,收音机发出噪声)
图2-2-13 由于开关浪涌产生噪声干扰示例

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图2-2-14 产生开关浪涌的机制

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图2-2-15 开关浪涌的噪声抑制示例

 

(3) 雷击浪涌

由于雷击是一个自然现象,且具有巨大能量,要提供保护防止直接击中是非常困难的。在许多情况下,不是提供保护防止直接击中,而是使用电子设备进行保护,防止雷电感应。

雷击感应是是当电子设备附近发生雷击时,电源线或通讯线等相对较长线路上感应出的高电压。产生雷击感应的可能机制是: 由于雷雨云产生的电场,电荷感应到电线,然后电荷通过雷击被释放;或由于雷击电流产生的磁场在电线中产生感应电动势。直接雷击并不厉害,但雷击感应具有很大的能量,足以损坏电路。因此需要进行保护。

为了提供保护防止雷击感应,在电子设备电源线和通信线进出部分需要使用诸如压敏电阻等浪涌吸元件。

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图2-2-16 没有雷电直接击中浪涌即可从电源线或天线导线进入

2-3. 数字电路产生的噪声

由于有助于简化电子设备设计和显著提高性能,数字电路在电子设备中得到了广泛应用。另一方面,数字电路相对而言更容易产生噪声,也需要根据噪声规定采取针对“不需要的辐射噪声”的措施。

图2-3-1展示了使用数字电路的电子设备可能发出的噪声的类型。通常,噪声在很宽频率范围内产生,如果与电视和/或收音机等电子设备的频率重叠,就会造成接收干扰。本章节将介绍数字电路产生这些噪声的机制。

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图2-3-1 数字电路用于各种电子设备并成为噪声的起因

2-3-1. 信号频率和噪声之间的关系

如图2-3-2所示,数字电路通过切换高低信号电平操作电路,从而传输信息。切换信号电平的瞬间,高频电流流过信号线。电流不仅在信号线中流动,也在电源和接地中流动。数字电路中使用的这些高频电流被视为噪声的起因。章节2-3-2将进一步介绍这些电流。

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图2-3-2 数字信号的示例(4MHz时钟脉冲)

图2-3-3和2-3-4展示了通过改变数字电路产生的噪声和信号频率所测量的示例。图中以时钟脉冲发生器作为数字电路的示例,并通过放置在三米外测量区域(电波暗室)内的天线测量发生器产生的噪声。在时钟脉冲发生器的信号频率从4MHz变为20MHz再变为66MHz期间,观察噪声发生变化的频率间隔和水平。这样就能在时钟信号的离散频率处观察噪声,这些成分被称为信号的谐波。将在下一章节中进一步讲述谐波。

在图2-3-4中的噪声测量结果中,H表示的线显示了水平极化无线电波的测量结果,而V表示的线显示了垂直极化无线电波的测量结果。在本课程中,除非另行说明,下列各图都将使用这一规则。

 

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图2-3-3 测量配置

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图2-3-4 数字电路所发出噪声的示例

2-3-2. 数字电路为什么会产生噪声

为阐释数字电路产生的噪声,我们以一个由两个IC间的信号线组成的简化电路为例。

如图2-3-5所示,我们考察这样一种情形: 一根连接两个数字IC的信号线传输信息。两个IC间的电流可以简化为如图2-3-6所示。[参考文献 4]

在图2-3-5和2-3-6中,一根信号线将信号从左侧驱动器传输到右侧驱动器。连接与电源侧或接地侧驱动器内信号线相连的开关(包括一个晶体管),可能使信号电压发生变化。当驱动器侧的开关打开时,输入终端的电容(多个pF的极少量静电容量)在接收器侧充电或放电。当驱动器输出的信号电压根据电容的充电和放电变化时,信息从驱动器传输到接收器。

图2-3-7展示了切换瞬间电流和电压的示意图。图2-3-7还展示了针对驱动器IC输出电阻(R)的建模。信号电平切换的速度视输出电阻和电容而变。请注意,本模型经过了大量简化,仅能展示电路的运行,而不足以解释噪声。后文中将介绍更为实际的模型。

在这种情况下,两个IC间的电流流经图2-3-6中电容充电侧的橙色路径,在放电侧则流经图中的蓝色路径。这一电流使数字电路产生噪声。

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图2-3-5 连接数字电路的线路的示例

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图2-3-6 数字电路的运行模式

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图 2-3-7 信号电平改变时电流的流动

由于此时电流是电容(电容器)充电和放电所产生的,在信号切换的瞬间,电流像长钉一样流动,如图2-3-8(b)所示。这种波形包含各种频率,通过用作天线的线路发射出来,从而造成噪声干扰。根据电路的寄生电感,电流的突然变化会造成感应电压。电压也成为噪声的起因。
因为噪声源是驱动器内的切换开关,所有可以说在图2-3-5的模型中噪声源在驱动器内。

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图2-3-8 线路中电流流动图

2-3-3. 短路电流

图2-3-6指出了另一种绿色电流。这种电流被称为短路电流,也会成为一种噪声起因。 因为当驱动器内的开关切换时,C-MOS数字IC只在一瞬间使电源和接地相互连接,会产生如图2-3-8(b)中(3)所示的类似长钉的电流。这种电流被称为短路电流。它不会流进信号线,但会作为急剧变化的电流流进电源和接地。因此,这种电流可能成为电源和接地中噪声的起因之一。图2-3-8显示,短路电流流过驱动器内开关的上方和下方。

与信号电流不同,在信号上升和下降时短路电流的方向相同。因此,从频率的角度而言,其频率是双重信号循环频率。有时,牢记这个性质有助于区分噪声源或路径与产生的噪声频率。

频率中被称为谐波的成分会在循环频率的整数倍处产生。这一部分将在后文中进一步讲述。短路电流产生的噪声可能在与信号的偶次谐波相重叠的频率处(双信号频率的累积相乘)出现。因此,如果偶次谐波造成一个问题,除了信号之外,电源也可能是问题的起因。

为简化模型,图2-3-6显示电容在信号线和接地之间。但事实上,电容也会存在于信号线和电源之间。所以,到电源和接地都有电流路径。

2-3-4. 去耦电容器

图2-3-6中所示的电流路径不仅包括信号线,也包括电源和接地。这就意味着连接信号线不足以传输信号,还必须将其连接至电源和接地。
图2-3-6的左侧还显示了“去耦电容器”。这是一种用于连接电源和接地的旁路电容器。尽管此电容器用于稳定IC电源电压或即时供应电源电流,但在图2-3-6的情形下,它也在传输信号的电流路径中发挥着作用。去耦电容器的操作将在章节3-1中进一步讲述。

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图2-3-9 平稳运行的数字IC旁总会安装去耦电容器

我们来设想一下,如果没有这个电容器,电流路径是怎样的。如图2-3-10所示,流经电源和接地的电流将通过远离IC的电源流动,因而电感很大,无法正常流动(因此,信号脉冲波形会变形,或者IC操作速度减慢)。此外,由于产生噪声的电流流过电路的区域很广,产生的噪声会更多。

因此,去耦电容器是数字IC非常重要的组成部分,不仅是为了稳定电压(称为“PI” – 电源完整性),也是为了正确传输信号(称为“SI” – 信号完整性)和抑制电磁噪声(EMI)。从EMI抑制的角度看,去耦电容器的运行体现在限制包含流入IC附近电源和接地的噪声的高频电流,如图2-3-10所示。

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图2-3-10 有/无去耦电容器的电流路径的区别

经过去耦电容器的电流环路越小,产生的噪声量就越小。信号质量也将得到改善。因此,去耦电容器应尽量靠近IC放置。章节3-1将详细讲述如何使用去耦电容器。

2-3-5. 共模噪声的感应

图2-3-6所示的信号电流形成了一个电流环路,并将此环路作为天线发射无线电波,如图2-3-11所示。我们将其称为普通模式电流发射噪声。(为简化噪声发射机制,此示例通过环形天线建模。因为现实世界中的电子设备拥有更为复杂的形状,无法仅通过一个环形天线来表示。)

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图2-3-11 普通模式电流发射噪声

除图2-3-11所示的普通模式外,现实世界中的电子设备还会发出其他模式噪声。如图2-3-6所示,电流不仅会流经信号线,也会流经接地和电源线。这些电流可能导致产生更具影响力的噪声,称为共模噪声,如图2-3-12所示。这种产生共模噪声的机制将在章节5-3中进一步讲述。

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图2-3-12 共模噪声的感应

共模噪声不仅会出现在接地,也会出现在电源和信号线。由于接地延伸到印刷线路板周围的所有区域,如果产生共模噪声,则电路板本身会作为天线发射噪声,或者从用作天线的连接至印刷线路板的各种电缆发出。因为用作天线的导体远远大于信号线,尽管电压很小,但却会发出很强的噪声。

图2-3-13展示了电子设备发射的概念图(包括共模噪声)。因信号电流原来的发射部分是由①的普通模式发出的。因为天线很小,噪声发射到达相对较小的区域。但是,如果电流感应到了共模噪声,整个印刷线路板②可能成为天线,或电缆③可能成为天线,导致更强的噪声发射。

共模噪声不但容易产生,而且会通过接地和电源传导,所以一旦产生了共模噪声,就难以停止噪声传播。例如,图2-3-13中的电缆连接至一个接口IC。然后共模噪声会经由此IC的电源和接地通过电缆传导。

要有效抑制噪声,防止产生共模噪声非常重要。为此,降低接地的阻抗,以便抑制共模噪声的出现(称为接地增强),或者在信号线中使用EMI静噪滤波器阻挡产生的电流。

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图2-3-13 共模噪声的感应和发射

 

2-3-6. 信号中的谐波

如上所述,传输信号的电流本身可能是数字电路中噪声的起因之一。图2-3-14提供的测量示例展示了20 MHz时钟信号转变为噪声的过程。

尽管数字信号的电压波形是一种简单的矩形波(如图2-3-14(a)所示),但却可以分解为分散在很宽频率范围中的频谱(如图2-3-14(b)所示)。这些成分被称为谐波。当谐波中某部分能量被释放时,就会产生如图2-3-14(c)所示的噪声,进而导致噪声干扰。

如章节2.1所述,噪声需要传输路径和天线才能发射。在使用数字电路的电子设备中,连接各IC、印刷线路板、电缆和金属壳体等的线路可以用作传输路径和天线。一般而言,频率越高,就越容易被发射为无线电波。因此,图2-3-14(c)(测量发出的噪声)中的谐波噪声(几百MHz或更高)可能比图2-3-14(b)(直接测量信号)中的谐波噪声看起来更明显。

要有效抑制噪声,了解原信号中包含的谐波(图2-3-14(b)中所示)的本质非常重要。下一章节将讲述谐波的本质。

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图2-3-14 数字信号转变为噪声的过程

2-4. 数字信号中的谐波

如章节2-3所述,谐波是数字电路产生的一种噪声源。如果能够很好地控制谐波,便能有效抑制数字电路产生的噪声。本章节将讲述数字信号所包括谐波的基本性质。

 

2-4-1. 谐波的本质(就噪声而言)

(1) 数字信号是由谐波组成的

通常而言,具有恒定循环周期的所有波形都可以分解为包括循环频率和谐波的基波,其中谐波的频率为循环频率的整数倍。[参考文献 2]基波的倍数称为谐波次数。

在精确重复波的情况下,除此之外没有任何其它频率成分。数字信号有很多循环波形。因此,在测量频率分布(称为“频谱”)时,可以精确分解为谐波,显示出离散分布的频谱。

(2) 测量时钟脉冲信号的谐波

图2-4-1显示了频谱分析仪测量的33MHz时钟脉冲信号谐波的示例。像针一样向上突起的部分为谐波,其出现的间隔正好为33MHz。可以发现奇次谐波和偶次谐波的趋势不一样。最下面部分约为40dB或更低,指示频谱分析仪的背景噪声。

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图2-4-1 谐波的本质

 

(3) 如何从噪声频率中找出噪声源

上面提及的谐波性质有助于根据噪声频率找出噪声源。通过测量噪声频谱间隔,可以类比推导出造成噪声的信号循环频率。例如,我们在电子设备中观察到了如图2-4-2所示的噪声。出现强烈噪声的频率的间隔似乎是33MHz。因此,可以认为噪声是与33MHz时钟同步运行的电路造成的。

即使此电子设备当前使用的电路具有非常接近的循环频率,如33.3MHz或34MHz,如果可以精确测量噪声频率和间隔,就可分离出这样的频率。例如,如果在图2-4-2中330MHz处存在噪声,则可以假设噪声是由33.0MHz的电路而不是33.3MHz的电路所造成的。这是因为33.3MHz或34MHz信号都不包括330MHz谐波。

(4) 只包括整数倍频率

此外,循环波形并不包括低于基频的任何频率成分。例如,100MHz信号绝不会产生20MHz、50MHz或90MHz的噪声。如果出现此种频率,则噪声是由分频信号而不是源信号所导致的。

数字电路通常与时钟脉冲信号同步运行,而且很多数字电路的运行频率为时钟脉冲信号的1/N(称为“分频”)。在这种情况下,谐波是分频信号频率的整数倍。但是,如果两个或更多电路以经过分频的相同时钟脉冲信号运行,时钟脉冲信号的谐波会与分频信号的谐波相互重叠,导致难以对其进行区分。

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图2-4-2 明确显示谐波的噪声测量结果的示例

2-4-2. 谐波的复合波形

(1) 与正弦波叠加接近数字波形

数字信号波形及其包括的谐波是如何相互关联的?图2-4-3显示了将低次谐波与基波相加时波形的变化。可以发现,随着加上各个谐波,原基波的正弦波形越来越接近矩形波。

(2) 高次谐波对波形的影响小

相反,当从理想的矩形波减去高次谐波时,波形越来越接近正弦波。但是,变化很小。例如,图2-4-4显示了从叠加到第17次谐波上的波形中依次减去最高谐波后的波形。

(3) 占空50%的波形具有很强的奇次谐波

当形成占空比为50%的波形时,仅叠加奇次谐波。如果形成的波形不具有50%的占空比,也需要章节2-4-5所述的偶次谐波。此处的占空比指的是一个循环中信号电平“高”的比例。

在现实世界的波形中,占空比不可能正好为50%。所以,偶次谐波也包括在内了,如图2-4-1所示。

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图2-4-3 谐波和信号波形 (1): 加上低次谐波

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图2-4-4 谐波和信号波形 (2): 减去高次谐波

 

(4) 通过减去高次谐波降低噪声

前已述及,数字信号谐波中相对较低的频率(低次)成分对保持信号波形很重要,而较高的频率(高次)成分则不太重要。

但是,如章节2-3-6“信号中的谐波”所述,高次谐波具有更高的频率,因而具有容易发射和造成噪声的性质。因此,通过在不对信号波形造成任何问题的范围内消除高次谐波来抑制噪声。通常最多保留第3倍到第7倍的谐波,并消除比这大的所有谐波。图2-4-5显示了使用低通滤波器消除谐波时波形和噪声的测量结果。去除谐波之后,数字信号的波形具有这样的圆角而不是合适的方角。

(5) 通过信号EMI静噪滤波器消除谐波

信号EMI静噪滤波器正是用于此目的的滤波器。在图2-4-5中,20MHz信号使用了截止频率为150MHz的EMI静噪滤波器。因此,图(b)中的波形最多包括7次谐波(140MHz)。EMI静噪滤波器将在后续章节中进一步讲述。

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图2-4-5 已通过EMI静噪滤波器消除谐波的信号波形和噪声的示例

2-4-3. 谐波频率的趋势

(1) 梯形波谐波的性质

我们来看下数字信号中所包括谐波电平的趋势。如果数字信号的电压波形有一个如图2-4-6所示的完美梯形波,可以发现几个趋势。

图2-4-6(b)显示了梯形波所包括谐波的包络线。如图所示,如果在对数轴上描出频率,谐波的包络线组成一个简单的折线,具有(A,B)两处拐点。[参考文献 2]

A是信号脉冲宽度tp决定的频点。脉冲宽度越窄,A就会越朝向较高频率侧偏移。 B是信号升(降)时间tr决定的频点。此时间段越短,B就会越朝向较高频率侧偏移。(为简化趋势,假设上升和下降时间一致)

(2) 控制谐波电平

谐波的包络线在DC到A点之间(区域a),具有恒定的电平,但在A点至B点之间(区域b)却以20dB/dec(每十倍频率为20dB)的频率速率下降,然后在B点到较高频率侧(区域c)以40dB/dec的速率急剧下降。因此,从抑制噪声的视点出发,需要将A点和B点向较低频率侧移动。

请参见参考资料[参考文献 2],其阐释了表现这一趋势的理论公式。

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图2-4-6 谐波的包络线

(3) 对比理论曲线与实际测量结果

上述频率特性仅表明了一般趋势。各个谐波电平可能受占空循环等因素的影响,而且可能略小于包络线(个别谐波可能非常小)。

图2-4-7提供了一个对比图2-4-6与实际测量结果的示例。图2-4-7 (a)显示了占空比为50%的情况,而(b)显示了占空比为20%的情况。

示波器测量的电压波形显示在图片的左侧,而频谱分析仪测量的频谱显示在中间。观察到了如图2-4-1指示的谐波。在图2-4-7(b)中占空比为20%的情况下,可以发现偶次谐波的电平几乎等于奇次谐波的电平。

在图片的右侧,中间频谱的频率轴被转换为对数轴,以便与图2-4-6中的包络线进行比较。方便您参考,红色线表示理论包络线。可以说,图2-4-6的包络线充分符合频率范围低于100MHz的实际测量结果。在200MHz以上的更高频率范围内,实际测量值小于理论值。这是因为试验中使用的信号发生器因其频率生成的上限而无法输出精确的梯形波。

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图2-4-7 谐波包络线实际测量结果示例

(4) 设计噪声更小的电子设备

以下趋势是从图2-4-6(b)所示的包络线形状推导出来的。

  • 信号的循环频率越大,脉冲宽度就越窄。因此,A点向较高频率侧偏移,产生更多噪声。
  • 随着上升时间变短,信号速度变快,B点朝较高频率侧偏移,产生更多噪声。

要设计噪声更少的电路,应避免这些情况并使A点和B点向低频侧偏移是比较有利的。如果无法在设计中避免上述情况,但信号线附带了安装EMI静噪滤波器的垫子,就更容易抑制噪声了。

当观察实际数字信号的谐波时,难以注意到区域a。这是因为很多数字信号都具有接近50%的占空比,使A点靠近基频的较低频率侧。

2-4-4. 信号上升时间的影响(1) 改变10MHz时钟脉冲信号的上升时间

图2-4-6显示了减缓波形上升速度会使B点朝较低频率侧移动,从而抑制谐波电平。图2-4-8提供了通过计算确认这个趋势的示例。

此处的谐波是以10MHz循环频率、50%占空比和1V电压大小为基础进行计算的。图片左侧显示了假设的信号波形,中间显示了谐波频谱的计算结果。就像图2-4-7一样,右图显示了将频率轴转换为对数轴的结果。右图以点的形式显示了每个频谱,并叠加了图2-4-7所示的包络线。假设使用频谱分析仪测量频谱电平,并使用有效值进行计算。下列所有数据也同样如此。

(2) B点出现在30MHz处(上升时间为10ns)

图2-4-8(a)显示了快速上升的情况(tr =0.1ns),而(b)显示了缓慢上升的情况(tr =10ns)。根据图2-4-6中的公式计算出来的包络线B点在条件(a)下大约为3GHz,其明显偏离了图表的显示范围(最大1GHz)。在条件(b)下B点大约为30MHz。 图2-4-8(a)的计算结果表明,谐波频谱仅仅是以20dB/dec的速率下降。此外,已经确认在图表的显示范围内(最大1GHz)无法看到B点。

相反,图2-4-6(b)的计算结果表明,谐波在30MHz以上的频率范围内以40dB/dec的速率急剧下降。此处附近可能存在一个拐点,即B点。

(3) 在500MHz时下降20dB或更多

相互对比中间的频谱,除了较低频率侧非常小的范围外,其它频率范围内信号上升较慢的(b)的谐波电平变小。在500MHz处相差高达20dB以上。

根据上述计算结果,减缓信号上升速度对抑制谐波很有效。要建立噪声更少的电路,一个有效的方法是在不妨碍电路运作的范围内,选择速度尽可能慢的IC。也可配备信号用EMI静噪滤波器。

对于图2-4-8中谐波的计算,使用了村田制作所的EMIFIL®选择辅助工具“MEFSS”。为获得理想的波形,测量条件设定为50Ω。

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图2-4-8 上升速度改变时谐波的变化(计算值)

2-4-5. 波形占空比对谐波的影响(1) 改变10MHz时钟脉冲信号的占空比

时钟脉冲信号是容易产生噪声的一种典型数字信号。时钟脉冲信号通常具有占空比约为50%的波形。如前所述,如果占空比接近50%,信号会包括很强的奇次谐波,而偶次谐波比较弱。偶次谐波的电平可能随着占空比发生显著变化。(在谐波次数很高的高频范围内,奇次谐波的变化也非常大。)图2-4-9提供了通过计算确认这个趋势的示例。

(2) 谐波分为奇次组和偶次组

此图对比了根据图2-4-8(a)所示理想快速上升数字信号将占空比从50%(a)逐渐变为49.9%(b)然后变为49%(c)的谐波。这些计算结果表明,偶次谐波和奇次谐波分别沿着绿色线和黄色线分布,指示偶次和奇次之间存在不同的趋势。

在图2-4-9(a)(占空比为50%)中,奇次谐波沿着图2-4-6所示的包络线分布,但没有观察到偶次谐波。

(3) 1%的占空比变化可能导致10dB的差别

相反,图2-4-9(b)(占空比为49.9%)中显示了偶次谐波,尽管其电平仍然很低。图2-4-9(c)(占空比变为49%)显示偶次谐波电平升高,甚至比特定频率范围内的奇次频率还高。观察1GHz以上的较高频率范围时,或者计算占空比显著偏离50%的情形时,就会发现这样一个趋势: 偶次和奇次谐波电平大小呈周期性切换。请使用MEFSS核实这一趋势。

如上所述,即使是示波器难以辨识的1%占空比变化,也会导致偶次谐波和高次谐波的电平产生几十dB噪声的变化。频谱的一般形状没有太大的变化,仍与图2-4-5所示的包络线一致。但是,单独观察各个频谱时,影响显得很重大。需要注意这种差别,因为这可能导致对噪声测量的再现性产生非常大的影响。

至于如何确定是否符合噪声规定,即使只有一个频谱超过了规定范围,也要视为不符合规定。如果这样的重要变化成分接近于限值,需要仔细地测量。

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图2-4-9 占空比改变时谐波的变化

2-4-6. 电压谐波和电流谐波(1) 比较电压谐波与电流谐波

上述谐波处理方法是以假设电压波形为矩形波为基础的。需要注意的是,即使实际电路的电压波为矩形波,电流波形可能会有所不同。这就意味着,根据噪声是否主要源于电压或电流,噪声发射会呈现出不同的趋势。

图2-4-10显示了在假设一个C-MOS数字电路并设有负载为5pF的电容器时,使用MEFSS计算波形和频谱的结果。电压波形接近理想数字脉冲,谐波频谱值接近图2-4-6所示的包络线的值(其形状因电容负载而稍有不同,在500MHz左右出现极小点)。

(2) 电流包括更多谐波成分

与电压不同,电流仅在上升和下降瞬间流动,如图所示。如图所示,这样的波形的频谱在高达几百MHz的频率范围内具有恒定的电平(取决于上升时间)。因此,如果因电流出现噪声发射,噪声可能是由高频导致的。这样,MEFSS也能计算电流波形的频谱。

在如图2-3-14所示的噪声测量结果中,(b)中500MHz以上几乎没有任何电压频谱,而(c)中的发射噪声频谱显示出了强烈的发射。因此,我们可以看到如此噪声源和发射噪声间的频率分布有一定差异,其原因之一就是此次试验中发射噪声是由电流引起的。(除了本试验之外,也存在电压为噪声发射的起因)

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图2-4-10 电压和电流之间的区别

(3) 电流有一个长钉一样的峰值波形

如果您认为图2-4-10中因为电流波形为细小的长钉形状,那么电流谐波未在高频率范围内衰减的原因是可以理解的。考虑到图2-4-6中的梯形波,长钉形的波形,就像电流波形,可以被视为占空比非常小时的梯形波模型。对于占空比较小的梯形波的包络线,A点向高频率侧偏移,在很高频率范围内保持恒定的电平。因此,可以观察到当前波形的谐波持续到很高频率而不会衰减。

请注意,图2-4-6中的梯形波模型不同于当前波形,因为当前波形的长钉指向上方和下方。因此,当移动A点时,占空比较小的梯形波模型具有更强的谐波。但是,这一趋势在当前波形中比较弱。

2-4-7. 谐振产生的脉冲波形变化的影响(1) 谐振导致脉冲波形失真

由于上述阐释假设数字信号脉冲波形是理想的矩形波,如果波形因电路状况而偏离了矩形波,则需要进行修正。脉冲波形失真的其中一个原因在于驱动器IC、接收器IC和线路的谐振。本章节讲述谐振导致波形失真时频谱的变化。

如果忽略线路的影响,C-MOS数字电路可以视为如图2-4-10模型图所示的非常简单的电路,用于在模拟中获得理想的脉冲波形。

(2) 因线路长振铃导致噪声增加的示例

如果将线路的影响加入此电路,波形会是什么样的?计算结果如图2-4-10所示。图2-4-11对比了有线路电路和无线路电路的波形,其中假设线路长达20 cm,以使波形变得明显。如果有线路,信号波形出现很大的振铃。相应地,会发现在约150MHz处谐波出现显著上升的趋势。(为了观察振铃,在比图2-4-10更宽的范围内测量了电压)

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图2-4-11 线路的影响导致振铃

(3) 通过试验确认振铃

在实际数字电路中经常看到这样的振铃。图2-4-12显示了一个测量结果示例,其中连接了一根20 cm的导线。尽管不如图2-4-11中模拟结果那么强烈,振铃还在以相似循环出现,显示出在150MHz左右谐波显著增加的趋势。因此,如果数字电路连接了一根更长的信号线,信号波形更可能遭受振铃影响。在这种情况下,振铃频率可能导致更高的谐波电位,进而造成噪声问题。

图2-4-12中测量结果的振铃相对而言小于图2-4-11中测量结果的振铃。这是因为实际电路在IC和线路中多少有些损耗,造成了短时间的衰减。电压也更低,低于图2-4-12中的3 V。

此外,测量时使用频带2.5GHz的FET探针作为电压探针,其电压比为10:1。因此,图2-4-12所示的频谱值为20dB,低于实际值。

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图2-4-12 观察示例(测量的振铃)

(4) 线路中的电感导致谐振,进而形成振铃

图2-4-11所示的振铃是因线路电感在信号电路内形成的谐振电路的结果。图2-4-13(a)为模型图。

在图2-4-13(a)中记录了线路中微小的电感和静电容量。通过这种方式可以了解到信号电路中创建了一个RLC串联谐振电路。

当放大图2-4-11信号上升部分中产生的振铃时,可以发现循环周期约为7ns的阻尼震荡波形,如图2-4-13(b)所示。7ns的循环周期等同于143MHz频率,几乎与图2-4-11中观察到的上升谐波的频率(150MHz)一致。

(5) 线路中有多少电感?

根据传输理论指示的单位长度参数,图2-4-11中所假定20 cm导线的电感和静电容量的计算结果分别为约140nH和10pF。如果将这些值应用于图2-4-13(a)中的RLC串联谐振电路,谐振频率估计为110MHz左右。尽管这个结果比图2-4-11中观察到的150MHz小30%,但还是基本一致,因此图2-4-13(a)中的简化模型与理解振铃机制有关。

如果需要更精确地估计谐振频率,需要将线路作为传输线而不是使用电感和静电容量等集中参数。(请参考技术文档,查阅如何计算线路的单位长度参数及如何将线路作为传输线[参考文献 5,6,7]

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图2-4-13 振铃的起因

(6) 通过铁氧体磁珠吸收振铃

通常,为了抑制谐振,要使用阻尼电阻器。如果想同时减少噪声,则有效的方法是使用铁氧体磁珠替代阻尼电阻器。图2-4-14显示了在之前模型中使用铁氧体磁珠的计算结果。此外,图2-4-15显示了在图2-4-12中使用的测试电路中使用铁氧体磁珠的计算结果。

由于图2-4-14和图2-4-15中连接了铁氧体磁珠,振铃已经被消除了,150MHz左右的谐波升高也消失了,且同时也降低了500MHz以下整个频率范围中的谐波电平。通过这种方式,铁氧体磁珠能够有效抑制谐振和不需要的谐波。铁氧体磁珠已经广泛用于消除数字信号谐波造成的噪声。

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图2-4-14 通过铁氧体磁珠抑制振铃(计算结果)

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图2-4-15 通过铁氧体磁珠抑制振铃(计算结果)

2-4-8. 通过EMI静噪滤波器消除谐波

(1) EMI静噪滤波器消除能够导致噪声的谐波

使用EMI静噪滤波器(如铁氧体磁珠等)可以彻底消除数字电路中不需要的谐波,从而抑制来自谐波的噪声。EMI静噪滤波器及其使用方法将在单独的章节中进一步讲述;本章仅提供一个关于其作用的示例。

尽管可以通过使用慢速IC(如前所述)或者电阻器等通用部件减缓上升时间,进而在一定程度上实现抑制谐波,但使用EMI静噪滤波器能过获得更多效果。即使信号波形看起来相同,但噪声抑制效果还是可能有10dB或更多的区别。

(2) 使用20MHz时钟脉冲信号的50MHz截止滤波器

图2-4-16显示了使用EMI静噪滤波器消除20MHz时钟脉冲发生器噪声的试验示例。在此对比了使用三端子电容器的情形和使用截止频率为50MHz的π型滤波器(具有急剧变化的频率特征)的情形。尽管两种情况下的减噪效果都很出色,但可以发现信号波形的变化和上升时间并不一定与噪声抑制效果相符。π型滤波器似乎能够在保持脉冲式信号波形和上升时间的同时消除噪声。

(3) 示波器或频谱分析仪上的噪声看起来不一样

这是因为相对较低的频率成分在单个波形中比较显眼,而相对较高的频率成分在噪声测量中比较显眼。由于单个波形的观察结果显示了所有频率相加之后的波形,幅值较大的低次谐波会施加更强烈的影响。相反,噪声测量离散地观察每个频率,而且由于其容易由更小的天线发射,更多地受到了高(高次)频率的影响。

(4) 用于信号的EMI静噪滤波器

如果使用具有急剧频率变化特征的滤波器,就像图2-4-16所示π型EMI静噪滤波器,就能在保持信号质量的同时有效抑制噪声。这种EMI静噪滤波器将在后续章节中进一步讲述。

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图2-4-16 通过EMI静噪滤波器消除谐波的示例

2-5. 第2章小结

第2章介绍电子设备的噪声源概况,特别是进一步说明由数字电路造成的噪声的机制,这种机制经常会产生问题。本章节所述的课题关系如下:

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图2-5-1 本章节的课题关系

如图2-5-2所示,有三种电子设备噪声源的案例。

  • 信号
  • 电源
  • 浪涌

数字电路是典型的可以发射(i)和(ii)的噪声的电路。

数字电路通过各种称为谐波的频率成分而工作。此电流不仅在信号线中流动,也在电源和接地中流动。但是如图2-5-3所示,如果有任何外泄,将会变成噪声。

为充分利用数字电路,需要对信号和电源进行EMC设计,如图2-5-3所示。本章说明此EMC设计所需的基本原理。

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图2-5-2 第2章小结

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图2-5-3 数字电路的EMC设计

 

[参考文献][1] [Japanese] EMC設計技術 -基礎編-
(社)エレクトロニクス実装学会, 電磁特性技術委員会編[2] Introduction to Electromagnetic Compatibility     Clayton R. Paul     John Wiley & Sons Inc. 1992[3] Noise Reduction Techniques in Electronic Systems Second Edition     Henry W. Ott    John Wiley & Sons Inc. 1988[4] 数字IC电源静噪和去耦应用手册 (PDF: 3.5MB)PDF
Murata Manufacturing Co., Ltd. Catalog C39C, 2010[5]High-Speed Digital Design: a Handbook of Black Magic
Howard Johnson, Martin Graham
Prentice Hall PTR. 1993[6]High-Speed Signal Propagation: Advanced Black Magic
Howard Johnson, Martin Graham
Pearson Education Inc. 2003[7] [Japanese] よくわかるプリント板実装の高速・高周波対策
井上博文
日刊工業新聞社 2009

原创文章,转载请注明: 转载自 http://www.mr-wu.cn/ 吴川斌的博客

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