EMI噪声介绍

EMI（电磁兼容性）中的电磁干扰可以划分为“传导噪声”和“辐射噪声”两大类。其中传导噪声是指经由线体或者PCB版电路布局传导时产生的噪音；辐射干扰是指向空气中传播的噪音。在EMC专业研究中，它们的关系如下：

术语	意义	备注
EMC：Electromagnetic Compatibility 电磁兼容性	不对其他设备产生电磁干扰， 即使受到来自其他设备的电磁干扰， 仍保持原有的性能。	因需要兼备EMI和EMS两方面的性能 而被称为“电磁兼容性”。
EMI：Electromagnetic Interference 电磁干扰	因发射/排放（Emission）电磁波而对 环境造成的干扰。	从EMC的角度看，要求不发射EMI或 使EMI保持在最低限度。
EMS：Electromagnetic Susceptibility 电磁敏感性	对电磁波干扰（EMI）的 耐受性/抗扰度（Immunity）。	从EMC的角度看，要求即使受到EMI 也不会受到干扰的抗扰度。
传导噪声 Conducted Emission	经由线体或PCB板布线传导的噪声
辐射（发射）噪声 Radiated Emission	排放（辐射）到环境中的噪声

差模噪声与共模噪声

实际上，这是个常提到的概念，但我对它具体的定义以及判断差模共模的方法并不太明确。因此学习一下。

差模噪声和共模噪声实际上是EMI中“传导噪声”的一部分，即沿着电路进行传递的噪声。“差模”与“共模”的本质是噪声电流的不同，当噪声电流在参考端的方向相反时，称为”差模“，由于输入输出电流大小相同，也成为”对称噪声“；当噪声电流在参考端的方向相同时，称为”共模“，其噪声电流流经端口，并经由元器件的分布电容等流经电源，也成为”非对称噪声“。如下图所示：

无论是差模噪声还是共模噪声，其指的都是对噪声回路外的其他电子元件的工作环境产生影响，实际上是电流对外辐射的电磁波。因此，需要分析差模噪声和共模噪声产生对外辐射电磁场的大小。

由差模噪声引起的辐射的电场强度$E_d$可通过左下方的公式来表示。$I_d$为差模中的噪声电流，$r$为到观测点的距离，$f$为噪声频率。差模噪声会产生噪声电流环，因此环路面积$S$是非常重要的因素。如图和公式所示，假设其他因素固定，环路面积越大则电场强度越高。

由共模噪声引起的辐射的电场强度$E_c$可通过右下方的公式来表示。如图和公式所示，线缆长度$L$是非常重要的因素。

上述公式中，差模干扰定义为$E_d \propto \frac{I_d f^2 \times S}{r}$，而共模干扰定义为$E_c \propto \frac{I_c f \times L}{r}$，我并没有找到该公式的来源，此处暂且不论此公式是否正确，因此不考虑用于实际的计算。但可以看出，差模干扰由于形成了电流环，其主要辐射大小与电流环路面积有关；而共模干扰的辐射大小则主要与走线长度有关。

假设上述公式正确（因为面积确实可能为平方，而长度为一次方），则具体的计算如下：

这个计算结果中非常重要的一点是：噪声电流值相同的情况下，共模噪声辐射要大得多（在本例中约大100倍）。不管怎样，这些传导噪声和辐射噪声即EMI如果超出了容许范围，就需要采取降噪对策。特别需要记住的是，在考虑辐射噪声对策时，针对共模噪声的对策是非常重要的。

 

实际电路中的噪声

1. 开关管及整流管

开关管和整流管在开通及关断转换过程中，在微秒量级上升和下降时间内的大电流变化所产生的射频能量成为噪声的主要来源。由于频率比较高（即$\frac{dI}{dt}$比较大），它以电磁能的形式直接向空间辐射，或者以干扰电流的形式沿着输入输出端导线传送。主要为差模干扰。

图中表示构成电源电路的外置部件、实装多层电路板的寄生分量及振铃的关系。

2. 电源内部寄生电容

开关电源产生噪声的另一个来源是内部寄生电容在开关状态下突然充放电，尤以变压器寄生电容、半导体器件和散热器之间的电容以及导线到机架之间的电容为突出。这些电容总是存在的，我们只能通过合理的设计布局以减小噪声，并尽量控制噪声的传输途径。

实际上，对于实际电路而言，PCB走线之间并非像理想中一样互不影响，它们之间是存在耦合关系的，这种耦合包含由寄生电容引起的电容耦合和互感引起的电感耦合（也称为串模干扰）。

上图中用公式给出了将两者从噪声源的布线模式1到附近的布线模式2所产生的噪声电压$V_n$。$R$为电阻，$C$为电容，$M$为互感，$V_s$为噪声源电压，$I_s$为噪声源电流。

实际上，平行线之间的耦合强度是要远远大于正交线间的耦合强度的，因此在进行布线（尤其是功率线路）时，务必避免两个功率走线出现平行走线的现象。

3. 高频变压器

变压器是一个大的噪声源，在开关电源里它用作隔离与变压。但在高频情况下，它的隔离是很不理想的，变压器层间的分布电容使开关电源中的高频噪声很容易在初级与次级之间传递。变压器对外壳的分布电容形成另一条高频通道，而变压器周围空间产生的电磁场更容易在其它的引线上耦合成噪声。

4. 二极管产生反向浪涌电流

二极管在正向导通时PN结内的电荷积累，二极管加反向电压时积累电荷将消失并产生反向电流。因为开关电流需经二极管整 流，二极管由导通转变为截止的时间很短，在短时间内要让储存电荷消失就产生了反向的浪涌电流。由于直流输出线路中的分布电容，分布电感，浪涌引起了高频衰减振荡，这是一种差模噪声。

噪声的抑制

布局优化

对于“差模噪声”而言，应尽可能的去减小差模噪声的回路大小，如在环路上增加一些电容，给差模噪声提供短回路（由于噪声信号实际频率很高，是可以顺利通过电容的），从而减小差模噪声的回路大小。

对于“共模噪声”而言，应尽可能减短共模噪声传输线缆的长度，在线缆长度有要求无法减短时，也可以通过在线缆传输接口处增加共模电感和磁环等来抑制共模噪声的传输。

设置吸收电路

开关电源产生电磁干扰的主要原因是电压和电流的急剧变化，因此尽可能地降低电路中电压和电流的变化率($du/dt$,$di/dt$)。采用吸收电路也是抑制电磁干扰的好办法。吸收回路的基本原理就是开关断开时为开关提供旁路，吸收蓄积在寄生分布参数中的能量，从而抑制干扰发生。常用的吸收电路有RC,RCD,LC等无源吸收网络和有源吸收网络。

设置EMI滤波电路

在交流电输入端加电源滤波器，滤波器的电路图形如下图。其中$L_1$,$L_2$,$C_x$用于抑制差模噪声，$C_x$一般对低频段($150K\sim M$之间)的EMI防制有效，一般而言$C_x$越大，EMI抑制效果越好(但价格越高)。如$C_x$的值在0.22uF以上(包含$0.22uF$)，安规规定必须要有洩放电阻。$LG_1$,$Y_1$,$Y_2$是抑制共模噪声，其中$LG_1$线圈数越多(线径相对细一些)，EMI防制效果越好，但温升可能会高。Y-CAP会影响EMI特性，一般而言越大越好，但须考虑漏电流和价格问题，漏电流必须符合安规要求。

屏蔽

控制开关电源产生干扰辐射的又一个方法是屏蔽，目的是切断电磁波的传播途径，用电磁屏蔽的方法电磁干扰问题不会影响电源正常工作。为防止脉冲变压器的磁场泄露，可以利用闭合环形成磁屏蔽，另外还要对整个开关电源进行电场屏蔽。屏蔽应考虑散热和通风问题，屏蔽外壳上的通风孔最好为圆形多孔，在满足通风的条件下，孔的数量可以多，每个孔的尺寸要尽可能小。接缝处要焊接，以保证电磁通路的连续性，若对电场屏蔽，屏蔽外壳一定要接地，否则，将起不到屏蔽效果。若对磁场屏蔽，屏蔽外壳则不需接地，对非嵌入的外置式开关电源的外壳一定要进行电场屏蔽，否则，很难通过辐射骚扰测试。

其他

尽量减小开关管集电极与散热片之间的分布电容。可以选用低介电常数的绝缘垫片，并适当的增加绝缘垫片的厚度。必要时，在绝缘垫之间插入薄铜板作为静电屏蔽用。

输出直流电源线最好是双绞线，至少应紧靠在一起走线（应该是为了减少回路面积来降低共模干扰）。

 

PS：

对于共模与差模干扰，还有一种描述方法如下：

• 共模干扰发生在导线与地（机壳）之间的传输过程中，属于非对称性干扰。它指的是任何载流导体与参考地之间不希望存在的电位差。
• 差模干扰发生在两个导线之间的传输过程中，属于对称性干扰。它指的是任何两个载流导体之间不希望存在的电位差。

需要注意的是，共模干扰、差模干扰与共模信号、差模信号是两个不同的描述，它们对于共模和差模的概念性描述方法是一致的，但是两者并无太大关系（并不是共模信号产生共模干扰或者共模干扰导致共模信号）。共模信号是是二个方向相同的信号，而差模信号就是二个方向相反的信号。

目前，几乎所有的有关噪声的抑制手段都是主要针对共模干扰的。