(1) 在无流动电流情况下产生噪声
在电流驱动型模型中,因为通过接地的电流流动而产生电压。因此,在没有流动电流时应该就不会产生噪声。但是,在真实电子设备中,即使信号线前面没有连接任何元件,也会频繁地产生共模噪声。换言之,即使没有电流流动,也会因施加到信号线上的电压而产生噪声。
例如,图5-3-1中的测试移除了负载(50Ω终端)。图5-3-6显示了阻止电流流经信号线时噪声的变化。(a)表示有负载的情形,而(b)表示无负载的情形。没有负载时,噪声减弱。但是,仍有220MHz噪声。这一点无法通过电流驱动型模型清楚地解释。
图5-3-6 没有电流时产生噪声的示例
(2) 共模电流流经浮动静电容量
仍然存在的噪声可通过电压驱动型模型来解释。图5-3-7简化并描述了电压驱动型 [参考文献 5,6]。
当两个平行导体连接到噪声源时,具有相同导体长度的部分成为传输线。即使导体前未连接任何元件,还是会有较少电流流经线路间的浮动静电容量CDM。但是,因为此电流为普通模式,噪声发射会减弱。
但是,如果其中一个导体变长,噪声源的一半电压会施加到该导体上。这会与另一个导体形成一种偶极子天线。电压驱动型模型允许使用从传输线突出的导体以这种方式形成天线。
这时,在天线中流动的电流会流经浮动静电容量Cant,如图所示。
图5-3-7 电压驱动模型
(3) 接地越宽,共模电压越低
图5-3-7描述了这样一种机制: 如果将更长的线路作为数字电路的接地,共模电流会流经数字电路的接地(如图5-3-8(a)所示)。即使信号电流和接地阻抗都非常小,但由于信号线中存在电压(噪声源),于是产生了电流。
在这种情况下,关于接地中产生的共模噪声电压,应该作何考虑?通过改动图5-3-8(a)中的模型,各信号线和接地都应考虑朝向地线的浮动静电容量,如图5-3-8(b)所示。施加到此模型接地电容Cgnd的电压变成共模电压。
在图5-3-8(b)中,随着接地浮动静电容量Cgnd的增加(也就是说接地尺寸增大)而降低,信号线的浮动静电容量Csig的减小,共模电压变小。一般而言,如果增大接地尺寸来加强接地,共模噪声会减少。通过图5-3-8(b)所示模型就可理解这一点。
图5-3-8 将电压驱动模型应用于数字电路的示例
(4) 共模噪声流经电缆的机制
如果我们考虑将电缆接至这样的接地时,可发现共模电流会流经电缆(如图5-3-9所示)。可以假定此模型通过朝向地线的浮动静电容量回到噪声源。如果电缆这样连接到接地,一部分共模电流(如图5-3-8(a)中箭头所示)将流过比图5-3-9更大的路径。一般而言,将电缆连接到有噪声的接地会增加噪声发射的强度。此模型展示了这个现象背后的机制。
此模型解释了电缆中流动的共模电流是如何产生的,如章节5-2中图5-2-3(b)所示。为对应章节5-2中的图5-2-3,图5-3-8和图5-3-9中电流箭头的方向相反。但实质上是相同路线。
图5-3-9 通过电缆传导的共模电流
在电压驱动型模型中,即使电流不流经信号线或接地,且没有接地阻抗,只要信号线中存在电压(噪声源),共模电流就会流经浮动静电容量。
(5) 减少共模噪声
为有效减少电压驱动型中的共模噪声(接地中产生电压),需要增加Cgnd同时降低Csig也可以通过降低图5-3-7和图5-3-8中的Cant来减少噪声电流。下面是有效达到这个目的的具体方法:
(i) 稳定接地电势
扩大接地且为平板状(增加Cgnd)
靠拢信号线和接地(降低Csig)
缩短信号线,避免不必要的突出(降低Cant和Csig)
(ii) >降低电压
降低驱动电压
使用滤波器去除不需要的高频率范围
在有浮动噪声源(散热器)时连接到接地
(iii) 降低噪声源的浮动静电容量Cant
避免误将有强烈噪声的元件靠近导线和金属。
大多数噪声抑制技术与电流驱动型模型中使用的技术一样。
(6) 通过加强接地抑制噪声
在如图5-3-1所示的噪声测试中,可以观察到同时连接了电流驱动型噪声和电压驱动型噪声。
无论采用哪种模型,降低和稳定接地阻抗都是非常重要的。例如,图5-3-10给出了通过将MSL的宽度延长到50毫米加强接地得到的噪声测量结果。如果您使用多层基板等搭建一个足够大的接地层,可通过这种方式抑制共模噪声。
图5-3-10 通过加强接地抑制共模噪声
(7) 使用EMI静噪滤波器抑制噪声
即使基板接地不良,也可以使用合适的EMI静噪滤波器消除噪声,从而抑制共模噪声。
图5-3-11给出了使用具有图5-3-3中不良接地的基板时在时钟信号(噪声源)中使用π型EMI静噪滤波器的示例。尽管此滤波器用于普通模式,但可以将其布置在噪声源后面(在转换为共模之前),从而有效抑制共模噪声。此时,还必须尽可能地降低噪声源和滤波器之间的接地阻抗。对于此测试而言,仅在噪声源和滤波器之间使用MSL。
如果能在真实电子设备中以这种方式找到噪声源,即使基板接地不良,也可使用普通模式EMI静噪滤波器来抑制噪声。
图5-3-11 在接地不良的基板中使用滤波器抑制噪声