F/EMI滤波器和滤波连接器的原理和应用
品慧电子讯目前，由于更严格的法规不断融入不断扩展的电子领域，所有类型的设备都更安全，尤其是高度敏感的侦察、医疗和航空电子设备，可以避免由“噪声”EMI所造成的灾难性故障风险。
电磁干扰(EMI)领域最初是在1933年由巴黎国际电工委员会(IEC)的一个小组委员会悄然获得正式认可。该委员会以CISPR(国际无线电干扰特别委员会)的名义成立，旨在更好地了解射频技术可能产生的长期复杂情况。自1820年由莫尔斯、亨利和韦尔成立以来，无线电的受欢迎程度已经爆发，成为大萧条时期必不可少的家用电器。很快就确定有意和无意的RF传输开始影响其他电气系统，从而导致电子界对EMI的认识不断提高。 1934年，CISPR开始制定和分发有关电子设备推荐的允许发射和免疫限制的要求，这些要求已演变为当前世界上许多的EMC法规。
在整个20世纪60年代，70年代和80年代，研究人员越来越担心电磁辐射的干扰增加。 1967年，美国军方发布了Mil Standard 461A，该标准为已经在军事应用中使用的电子设备以及新军事电子设备的发射和易感性限制建立了测试和验证要求。
1979年，美国联邦通信委员会(FCC)对美国所有数字设备的电磁辐射实施法律限制。随着系统变得越来越快，体积越来越小，功能越来越强大，这些规定不断发展，因为新兴技术的出现，会越来越干扰其他电气系统的运行。
为了更好地了解噪声是如何产生的，航空电子设备和航空航天工程师已经研究了与EMI相关的问题，并确定了可以设计新系统以最大限度地降低传输噪声的方法，同时还能够承受来自外部源的一定量噪声。
最初，大多数公司选择了快速、笨重的屏蔽外壳设计，这些设计仅仅是最低效的法拉第笼。在寻求更好的长期解决方案以消除其敏感电子设备中EMI敏感性的众多公司中，那些更精明的研究人员倾向于采用更专业、更专注的方法，结合更好的电子设计和布局，同时在需要时加入额外的屏蔽和滤波元件。
创建多个认证级别有助于确保电气系统在辐射和传导发射和易感性方面的兼容性。这些标准的引入使专业人员能够轻松识别可以集成到自己组装中的电气系统，而无需担心EMI问题。今天，由于这些更严格的法规不断融入不断扩展的电子领域，所有类型的设备都更安全，尤其是高度敏感的侦察、医疗和航空电子设备，可以避免由“噪声”EMI所造成的灾难性故障风险 。
虽然在简化创作过程和确保一般设计安全方面非常有用，但EMC规范却不能自动修复在没有预先考虑无关的射频波动的情况下所创建的系统。由于产生或接收可能导致故障的干扰，今天发明的许多复杂系统仍然受到EMI的困扰。这些问题通常的解决办法是，通过屏蔽系统免受电磁波动，以及滤波减少不需要的和潜在有害的能量。
EMI屏蔽和滤波
屏蔽是一种用于通过阻止源射频(RF)噪声传输来控制EMI的技术，与铅和混凝土用作核辐射屏蔽的方式类似。屏蔽可以部署在RF源、接收器或其间的任何地方的电路中。在电场成功实现屏蔽的情况下，有效性取决于屏蔽材料的厚度、导电性和连续性。在电缆上增加屏蔽可以保护内导体免受撞击电场的影响，减少磁场的相互作用力。
重要的是，当电场与导体相互作用时，它会产生一个电压，该电压在电路上表现为电“噪声”。当在导体周围放置适当接地的屏蔽时，通常可以将电场能量排出而不对它产生影响，从而减少或消除噪声。这是驱动普通电气屏蔽的基本原理，称为法拉第笼。
当穿过空间的电磁波遇到屏蔽时，会发生以下几种情况：
•大部分能量被反射和折射，类似于声波的多普勒效应，它们通过穿过的任何东西进行部分消散;
•然后，屏蔽层会根据需要将一些剩余能量吸收或分流到地面，从而显著降低电磁波能量的大小;
•此外，在系统需要薄屏蔽的情况下，必须考虑在机柜内重新反射能量。重新反射发生在屏蔽材料远侧的边界处，并导致系统内的EM波的反弹，从而产生不需要的EM能量的局部尖峰。
大多数高频屏蔽问题不是因为材料本身不能消除噪声而引起的，而是由屏蔽材料中的物理间隙和开口引起的。虽然屏蔽是许多EMI相关问题的主要选择，但滤波器可以解决与穿过屏蔽外壳的穿透相关的问题，以及电气系统的输入和输出，通常是屏蔽系统中最脆弱的点。
与船体没有什么不同，在屏蔽系统的任何一点上有一个洞很容易导致灾难性的失败。由于输入和输出是与屏蔽外壳相关的最弱点，因此由于固有的漏洞，这些是滤波最有效的位置。
在这些位置，屏蔽外壳接口处的滤波和瞬态抑制是保护系统免受兼容性问题影响的最有效方法。通过在系统的输入/输出接口上使用滤波器和滤波连接器，设计团队可以在连接器接口处消除来自内部或外部源的EM和RF噪声，将不需要的能量分流到接地的屏蔽外壳。因此，这是消除高频噪声的最佳位置，可减轻任何与EMI相关的问题。
图1：多种滤波器类型，旨在消除系统中的EMI
滤波器
在考虑滤波器和滤波连接器以帮助消除系统中的噪声问题时，确定最佳EMI解决方案要基于该系统的机械配置。有许多滤波器，这些滤波器有许多不同的配置，如图1所示。
低通滤波
所示的滤波器解决方案具有多种配置，旨在根据特定系统要求缓解EMI问题。这些产品中的每一个都位于电气工程的单个子集中，具体地说，它们是“低通”滤波器。换句话说，这些滤波器允许较低频率数据通过，同时阻挡较高频率信号。
低通滤波器有多种实现方式，如下所示：
图1a：C滤波器的原理图
图1b：CL或LC滤波器的原理图
图1c：Pi滤波器的示意图
•C滤波器——纯电容滤波器
o片式电容器
o 盘状/引线式
o平面阵列
C滤波器是最简单、最直接的解决方案。它们由引脚或信号线与地之间的单个去耦电容构成。
•CL/LC滤波器——组合电感和电容滤波
CL或LC滤波器提供额外的滤波，因为它们采用单个电容接地，并与电感或“扼流圈”耦合。这增强了去耦电容器的滤波效率以及与电感器阻抗相关的滤波。
•当源阻抗小于负载阻抗时，LC滤波器电路最高效。当负载阻抗小于源阻抗时，CL滤波器最适合电路。
•Pi滤波器——电容和电感滤波(由于形状类似于pi符号π而命名)
Pi滤波器由两个由电感隔开的去耦电容构成，可有效捕获目标噪声，并提提供卓越的高频滤波性能。
应该注意的是，接地是任何良好电气系统最重要的方面，滤波器和滤波连接器需要出色的接地导电性才能正常工作。这些设计(假设它们所安装的外壳/隔板是“良好接地”的)可为系统地提供低阻抗连接路径。
必须根据系统中噪声的频率选择滤波器，该频率与通过接口传输的数据信号的目标频率直接相关。必须选择滤波器的电容，使其不会干扰或“削减”数据信号的边沿。此外，所选滤波器的类型必须满足所寻址噪声的频谱。换句话说，滤波器是否只需消除噪声存在的频带中的窄范围，或者是否更需要宽带滤波器，以阻止宽频率(例如：GHz)范围?
选择滤波器的电容取决于计算滤波器的-3dB截止频率，它表示滤波器的响应幅度从通带电平下降3dB的频率。
以下是用于计算系统截止频率的公式：
在该公式中，fc是滤波器的截止频率，如图2中的性能与频率曲线图以及如图3等效电路的R(电阻)和C(电容)所示。
图2：不同滤波器类型的描述及其相应的有效范围。
图3：具有相应功率-频率图的RC电路。
这些信息很难确定，因为系统继续被电气工程师进行复合和发展，更不用说在相关领域工作的其他专家了。幸运的是，大多数主流滤波器制造商都提供了插入损耗图，它清楚地显示了与它们提供的各种滤波器相关的-3dB截止频率。该数据通常以表格形式呈现，并针对标准的500欧姆负载进行标准化。因此，通过查看不同电容的各种频率下公布的插入损耗或滤波器性能数据，可以更容易地选择滤波器。
值得注意的是，芯片电容滤波器的表现不尽如人意。由于芯片电容器的自谐振，它们更像是“陷波”滤波器而不是高通滤波器。虽然在某些应用中这种行为可以忽略不计，但这些滤波能力的缺点是最重要的，必须理解为有效地降低电气系统中的高频噪声。与图4所示的“理想”电容器的预测滤波器性能相比，这些芯片电容滤波器具有有限的高频性能。
图4：理想电容和1000pF电容的插入损耗对比图。
另外，使用芯片电容器的滤波器的机械封装和电路布局极大地影响了滤波的性能。如图5所示，等效串联电感直接影响滤波器性能。在将这些器件连接到信号和接地时，设计团队应特别注意所使用的走线的布局和导电性，以最大限度地减少这种影响，从而实现芯片电容器可实现的最佳滤波性能。
图5：电容器的展开图，显示了内部残余电感。
这些低通滤波器件有许多物理形式，但也有不同的性能水平。这些设备的选择取决于噪声问题的频率或频率以及问题的严重程度。
图2还显示了各种滤波器类型以及简单芯片电容滤波器的相对滤波器性能。从这些数据可以看出，芯片电容的作用与前面提到的陷波滤波器相似，而C、CL、LC和Pi滤波器由平面阵列、盘状电容器或陶瓷管构成，可提供更好的宽频率和更高的滤波器性能总体水平。
应用中的滤波器
有了对该领域及其相关组件的基本了解，下一步是研究一些实时应用，并从EMI专家的角度分析滤波器选择过程。
在图6中，注意系统中的测量噪声与红色实线所示的允许限值。
图6：与没有EMI滤波器的系统相关的测量噪声示例。
将图7中的曲线图看作是在没有EMI滤波器的情况下测量的器件的噪声输出，这会导致出现代价昂贵的停产问题。值得注意的是，30MHz和70MHz之间的频率超过了允许的限制，这意味着无论实际产品是否成功，设计都无法进入市场。尽管该设备具有屏蔽外壳，但该区域需要极其昂贵的重新设计或额外的滤波以将该噪声降低到可接受的水平。
图7：制造商提供的性能图。
此设备的最大中断频率为39MHz，如上图6所示，带有绿色哈希标记。基于这种观察，有必要选择一个滤波连接器，它可实现低频数据(在这种情况下，低于1.0MHz)传输而不会降低，同时滤除系统中的高频噪声。
有了这些信息，再加上回顾图7所示的滤波器制造商的性能数据，可以确定10000pF到30000pF范围内的滤波很可能是该应用的最佳EMI解决方案。
接下来，建议设计团队根据该类滤波系统的低成本和高可靠性，确定芯片电容滤波器是否适合阻止所关注的频率。考虑到这一点，需要测试采用两种通用系统解决方案，一个10000pF电容滤芯和一个22000pF电容滤芯。
图8显示了测试10000pF芯片电容插件的结果。结果，该装置在较高频率中被发现是可接受的，但是在较低频率(10MHz和60MHz之间)中没有提供足够的滤波以将噪声降低到低于允许的测试极限。
图8：图6中具有10000pF电容滤波的系统。
然后，使用22000pF芯片电容滤波器插件进行测试，试图将最大滤波器性能调整到噪声持续的较低频率区域。如图9所示，性能得到改善，在较低频率的噪声极限处或附近只有很小的尖峰。但是这个滤波器导致能量“膨胀”到105MHz附近的更高频率，超过了允许的极限。
图9：图7中的系统，具有通用的22000pF电容滤波。
这些测试结果表明，通用芯片电容滤波器插件无法提供足够的滤波。为了永久地解决这个问题，需要一种利用额外滤波的更专业的方法。
为了达到预期的效果，客户测试了专门的滤波器插入，它是为了最大限度地减少等效串联电感。通过将芯片电容器交叉安装在隔离通道(将焊盘接触区域与信号引脚和实心接地平面分开)上可实现这种效果。
这种滤波器插入设计提供了最大的屏蔽效能，并使等效串联电感最小化，为芯片电容器提供可用的最佳性能，同时还利用了系统中已存在的屏蔽。结合专用的22000pF滤波器，滤波器插入实现了图10所示的结果，从而以具有成本效益的长期解决方案来满足EMC法规。
在考虑了这些测试的结果之后，利用宽带滤波器完成了器件设计(图10)，因为在芯片电容器仅提供最小滤波的较高频率中没有很多余量。这种专门的22000pF盘状滤波连接器(采用盘状电容器构建的C滤波器)提供了更高水平的滤波器性能以及更广泛的频率性能要求。
图10：使用自定义滤波器时的图7系统。
通过利用设计中已经存在的屏蔽，这种方法与其他测试的滤波器(包括相同电容的滤波器)相比，改善了整体EMI性能，而不是试图将系统滤波做为“神奇的子弹”解决方案。它补充了系统中成功的部分，增强了整个系统的整体性能，而不是将系统视为一个单独的实体。
结论
总之，接近EMI噪声问题更像是接近患者的医生，而不是大多数形式的补救性工程解决方案测试。最初的步骤涉及收集有关问题明显“症状”的信息。在评估阶段，使用带有近场探头的频谱分析仪来评估系统的内部和外部可以帮助识别噪声源，这与医生拍摄患处的X射线相类似。一旦对问题进行了良好的评估或诊断，在评估更复杂的解决方案之前，治疗可以首先应用简单的补救措施。
这里所示的实时示例涉及与接地相关的核心理论问题。大多数EMI问题都来自不正确接地的电气连接，成为EMI的意外发送器或接收器，或者变成EMI可能泄漏到系统中或从系统泄漏的点。要解决此类问题，请首先尝试解决任何接地问题。接下来，尝试在板级或外壳级别上使用屏蔽修补系统，以控制在嗅探测试期间发现的区域中系统中的噪声传输。
如果问题仍然存在，请开始查看滤波解决方案，如本文所述。不要忘记寻求合格的EMI顾问的建议，他可以帮助您确定可靠的EMI滤波解决方案。
作者：EMI解决方案的高级创始工程师和总裁Robert Ydens ＆ EMI应用工程师 Bradley Ydens
