产⽣电磁噪声的机制
【导读】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，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），如图 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。
⾸先，将对噪声产⽣的机制进⾏说明。
图1 EMC的三个因素
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。
1(i)信号
2(ii)电源
3(iii)浪涌
信号成为噪声源或受害⽅时
在⽂中，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。
图2 模拟信号和数字信号
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。
图3 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。
图4 以EMC为例模拟电路的特性
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。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）
图5 数字电路对噪声具有较⾼的承受⼒，但更容易发出噪声
图6 以EMC为例数字信号的特性
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:
4(i)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5(ii)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
6(iii)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
7(iv)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）。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。
（断路器型降频转换器的简单模型）
图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。
图8 通过交流电源线连接电⼦设备
图9 交流电源线EMI静噪滤波器的配置⽰例
图10 以EMC为例电源电路的特性
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:
静电浪涌
如图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。如图2-2-12所⽰，为了减少静电荷⼲扰，
8(i)⽤绝缘体覆盖以阻⽌放电，或者⽤⾦属覆盖转移电荷。
9(ii)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）。
10(iii)使⽤适当的浪涌吸收元件。
图11 静电浪涌的进⼊
图12 静电浪涌保护电路⽅法
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。由于产⽣了过⾼的电压，因此会产⽣如图13和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15所⽰，为了减少开关浪涌的⼲扰，
11(i)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。
12(ii)提供屏蔽切断所有电磁效应。
13(iii)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）。
（拔出烤箱的电源插头时发出⽕花，收⾳机发出噪声）图13 由于开关浪涌产⽣噪声⼲扰⽰例
图14 产⽣开关浪涌的机制
图15 开关浪涌的噪声抑制⽰例
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:
穿心电容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。
图16 没有雷电直接击中浪涌即可从电源线或天线导线进⼊
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