“噪音”——也許沒有什么比這個五個字母的單詞的含義更讓設計工程師擔心的了。這種擔憂是有充分理由的。噪音通常是不可預測的；可能來自內(nèi)部且在某種程度上可控的來源，或來自外部無法控制的來源；它會影響性能的準確性和一致性；它可能導致產(chǎn)品不符合其目標設計目標；它在原型階段和現(xiàn)場都會出現(xiàn)類似隨機的故障。

鑒于噪聲的廣泛來源和表現(xiàn)形式，有數(shù)以千計的文章、應用筆記和設計技巧來解釋噪聲及其處理方法。（警告：很多建議往往是相反的，但這通常是由于實際應用和作者經(jīng)驗的差異。）在本常見問題解答中，我們將從系統(tǒng)的 AC/DC 電源開始關注噪聲，盡管許多這些要點也適用于 DC/DC 電源（也稱為轉換器或調(diào)節(jié)器）。

問：為什么要看電源噪聲？查看電路中的噪聲不是更重要嗎，尤其是低電平模擬電路？

答：電源的輸出軌是構建電路和系統(tǒng)的基礎。如果這些電源軌上有噪聲，系統(tǒng)按設計運行的能力就會受到影響。很多時候，由于電源噪聲引起的問題是間歇性的和不一致的，因此很難確認。此外，每個系統(tǒng)都有一個電源（也許除了一個非常簡單的電源，例如通過限流電阻驅(qū)動 LED 的電池），因此電源幾乎是每個設計中的潛在噪聲源

問：術語“EMI”（電磁干擾）使用得很多。產(chǎn)生這種 EMI 的機制是什么？

答：有四種主要機制：

傳導耦合是由直接接觸形成的物理耦合路徑。除了電纜或電線，印刷電路板 (PCB) 甚至金屬外殼上的任何跡線也可能發(fā)生這種耦合。

輻射耦合通過空氣或真空發(fā)生。由于 PCB 上的每條走線都是潛在的天線，因此它也是潛在的耦合路徑。

電容耦合與電場有關，當兩個相鄰導體之間存在變化的電場時會發(fā)生電容耦合。例如，當有兩個具有任何空間分隔的電位差的板時，它就形成了一個電容器。

最后，還有電感耦合，它與磁場有關，當兩個平行導體之間存在變化的磁場時會發(fā)生；這會導致寄生感應電壓。

通常，在高壓應用中，電容耦合占主導地位，而在大電流情況下，電感耦合占主導地位。

問：如果我的電路看起來工作正常，我應該擔心噪音嗎？

答：可能吧。即使電源噪聲不會影響您的系統(tǒng)，也有各種法規(guī)和指令規(guī)定您的產(chǎn)品（包括電源）可以發(fā)出多少噪聲。由于電源通常具有相對較長的引線或 PC 板走線，因此電源的噪聲可能會輻射出去，因為這些電線充當天線。這些法規(guī)標準屬于電磁兼容性 (EMC) 法規(guī)類別。

問：EMI 和 EMC 有什么區(qū)別？

答：每個電子設備都會發(fā)出 EMI 或電磁干擾，而該設備對其他電子設備的影響就是 EMC 的用武之地。

EMC 或電磁兼容性涵蓋了產(chǎn)品與其環(huán)境中的其他產(chǎn)品相互作用的程度。

問：我的系統(tǒng)必須滿足哪些標準？

A：這是一個簡單的問題，但答案很復雜。它是工作頻率、功率水平和應用的函數(shù)。最常見的兩個法規(guī)是 CISPR 22 和 FCC 15；

–CISPR 22 測試 150 kHz 至 30 MHz 的傳導噪聲，以及 30 MHz 至 6GHz 的輻射噪聲。

–FCC 15 測試 450 kHz 至 30 MHz 的傳導噪聲，以及 30 MHz 至 40GHz 的輻射噪聲或電路中最高頻率的五次諧波。

問：就這些嗎？

答：一點也不。有 IEC 定義的全球標準，以及指定為 EN 的歐洲標準。每個標準實際上都有許多類別、子類別和子子類別，包括區(qū)分指定為 A 類和 B 類的設備。A 類用于商業(yè)、工業(yè)和商業(yè)環(huán)境設備，而 B 類用于住宅環(huán)境設備。由于其運行環(huán)境，A 類測試更為嚴格。不同的傳導和輻射測試在相同頻率下對兩個類別進行，圖 1。

圖 1：該圖表提供了各種 EMI/EMC 測試制度的高級概覽；它下面有很多層。（來源：Würth Elektronik GmbH & Co.）

一般而言，除非產(chǎn)品團隊擁有熟練的內(nèi)部 EMI/EMC 小組，否則不嘗試找出相關標準和設置可能是有意義的，而是使用合格的顧問或經(jīng)過認證的 EMC 實驗室。這些實驗室還負責進行所需的測試并頒發(fā)正式的合規(guī)證書。

問：一般來說，電源中的噪聲源有哪些？

答：對于線性電源，自生噪聲非常低，這是其架構的固有結果。線性電源輸出中的噪聲通常是這些引線的輻射拾取和可能的再輻射的結果。

相比之下，開關電源（正式名稱為開關模式電源或 SMPS）確實會產(chǎn)生噪聲，這也是其工作原理的結果；有些是專門為減少噪音而設計的。

問：當您遇到電源布線的噪聲問題時，首先（也是最簡單）要做的事情是什么？

答：答案很簡單：鐵氧體磁珠放置在電源輸出引線周圍。這些珠子（尺寸范圍從直徑的大約二分之一到幾厘米不等，混合使用了磁性鐵氧體材料（圖 2）來衰減沿導線傳遞的射頻信號，但對來自導線的直流電流沒有影響鐵氧體通常由兩種不同類型的材料制成：錳鋅和鎳鋅。鎳鋅用于傳導噪聲或輻射噪聲的情況，而錳鋅主要用于傳導噪聲。

圖 2：并非所有鐵氧體都是等效的，它們的配方針對頻率和****類型進行了優(yōu)化。（來源：Würth Elektronik GmbH & Co.）

這些鐵氧體是一種低成本、無風險的解決方案，沒有后遺癥，并且經(jīng)常用作初始設計中“我們將使用它們以防萬一”方法的標準部分。一旦出現(xiàn)問題，它們通常也會在事后添加，因為它們很容易嘗試。

問：什么是差模噪聲？

差模噪聲（通常簡稱為差分噪聲）是在相反方向的線路和中性線上傳導的噪聲，圖 1，左側。

圖 1：（左）差模噪聲在相反方向的線路和中性線上傳導；（右）它可以通過線路路徑中的單繞組電感器和線路到中性點的電容器進行濾波。（出處：村田制作所）

問：處理差模噪聲的最佳解決方案是什么？

答：如圖所示放置一個扼流圈（電感器）通?？梢越鉀Q這個問題?；镜牟钅Ｔ肼暈V波器使用插入線路路徑的單繞組扼流圈，以及從線路到中性點的電容器，從而阻止噪聲通過系統(tǒng)傳播，圖 1，右側。

由于差模噪聲電感器位于線路路徑中，因此它可以處理因提供給負載的電流而產(chǎn)生的噪聲和直流偏移。因此，它的設計必須能夠提供所需的電感，但同時具有低直流電阻 (DCR)，以在不飽和的情況下處理 RMS 電流和峰值線路電流。如果電流水平較低，可以使用芯片式鐵氧體磁珠元件。

Q 如何降低共模噪聲？

答：同樣，專用電感器就是答案。基本的共模噪聲濾波器在線路和中性路徑中都使用了一個雙繞組電感器，加上一個從線路到地的電容器，圖 2，右側。由于線電流和中性電流以相反的方向通過共模繞組，因此沒有凈直流通量，因此不可能使扼流圈的磁芯飽和。共模扼流圈只需要具有所需的電感以及用于 RMS 電流的足夠低的直流電阻 (DCR)。

圖 2：（左）共模噪聲同時在線和中性線（接地）上傳導，但方向相同；（右）線路和中性路徑中的雙繞組電感器，加上線路與地之間的電容器，可以有效地對其進行濾波。（出處：村田制作所）

問：有沒有辦法判斷設計中存在哪種類型的噪聲問題？

A：是的，在某種程度上。首先，將夾緊式鐵氧體應用到電纜上，記住兩條線路（直流電源和地線）都在該電纜中。如果噪聲降低，或抗擾度提高，則表明存在共模問題；如果沒有效果，可能是差模問題。如果存在共模問題，請嘗試使用共模扼流圈。如果是差模問題，使用片狀磁珠鐵氧體或差模扼流圈。

一般來說，對于 10 MHz 以上的頻率，很可能是共模噪聲問題，但不能保證?？赡艽嬖诟哂?10 MHz 的差分噪聲，但這種情況并不經(jīng)常發(fā)生。

參考

1. Radio-Electronics.com，“解決 EMI 共模和常模噪聲”

2. Pulse Electronics，“了解共模噪聲”

3. Murata，“差分和共模噪聲”

4. 村田，“電磁干擾的條件和未來趨勢”

5. Würth Elektronik GmbH，“ EMC 基礎知識：共模與差分噪聲”（以及該系列之前的博客）