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                      【EMC基礎篇②】噪聲的根源和種類,追蹤看不見的噪聲

                      發布時間:2022-09-20 來源:TDK 責任編輯:wenwei

                      【導讀】無現金支付 (手機支付)、可優化暖氣和照明等耗電量的智能家居、電動汽車和自動駕駛技術、搭載AI畫面識別技術的自動安檢設備和機器人——我們周圍的環境正發生急速的變化。為這些技術提供支持的正是大量的電信號傳導。今后預計還會不斷出現各種先進技術,電信號的傳導也需要達到與之相符的高速大容量。而且,這些信號還必須保證高安全性和可靠性。


                      實際上,電信號和噪聲都是電磁能量,因此電子化生活越是便利,電子設備就越需要噪聲對策。


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                      我們周圍的電氣電子設備多少都算是噪聲的產生源,看不見的噪聲與熱量有類似之處。眾所周知,熱的移動分為傳導、對流、輻射三種。保溫瓶的內部是真空的雙層構造,這是為了防止空氣的熱傳導和對流。不過,輻射熱屬于電磁波 (紅外線),即使真空也無法阻斷。因此,杯子里面會鍍上銀膽,反射紅外線,提高保溫效果。


                      作為電磁能量,噪聲也根據傳遞方式大致分為傳導噪聲和輻射噪聲。傳導噪聲通過電源線、信號線、印刷電路板的電路等,與信號一起移動。輻射噪聲無需介質,以電磁波形式飛散。


                      傳導噪聲的入侵線路相對比較明確,但和信號類似,難以識別。電信號一般會以電壓變化的方式傳導,但噪聲也是這種變化的一部分,會與電信號融合。


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                      電路板和地面間的靜電結合,以及線路間的電磁結合會成為噪聲的傳輸路徑。此外,電路板若直接存在電勢差,就會形成大型的電流循環,成為噪聲傳輸路徑。并且,傳導噪聲還會變為輻射噪聲,輻射噪聲也會變為傳導噪聲。


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                      輻射噪聲比傳導噪聲還要令人難以捉摸。即使沒有線纜連接,輻射噪聲也會找機會侵入其它電子設備,系統內的噪聲會變為系統間的噪聲,擴大影響范圍。在高頻電流的電路中,線路的電感等成分會產生無用的電磁波,這也屬于噪聲。由于電磁波的輻射量與頻率的平方成正比,所以時鐘頻率高達Ghz的電腦等設備等成為了輻射噪聲的主要產生源之一。


                      上一篇推文中也提到過,噪聲對策的基本方式包括 (1) 屏蔽 (2) 反射 (3) 吸收 (4) 旁路。電腦本身包裹的金屬外殼,就是為了防止無用電磁波的泄露。不過,CD和DVD的取出口、散熱通氣口、金屬板的接縫處等位置會形成“窗口”,無用電磁波會從此逃出。此外,與周圍設備連接的線纜哪怕掉了一塊皮,也會形成天線,輻射無用電磁波。電信號和噪聲本質上是相同的東西。如果沒有在產生源采取對策,之后就無從挽救了。如果只是“臨陣磨槍”,反而會“賠了夫人又折兵”,讓噪聲進一步增加。


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                      噪聲也會通過靜電結合與電磁結合的方式擴大。有電流的導體附近若存在其它導體,就會構成看不見的電容器 (浮游容量),并產生誘導電壓。這稱為靜電結合。高頻電流流動時,其導體也會隨之產生電壓變化,造成輻射噪聲和傳導噪聲,對設備造成負面影響。


                      電磁結合是磁場引發的誘導現象。交流電路的旁邊若有其它電路,產生的磁場變化就會導致電流。這可以根據法拉第電磁誘導法則推導,和變壓器是相同的原理。磁場的時間性變動越激烈、兩個電路循環的面積越大、兩個電路越接近,電磁結合所誘發的噪聲電壓就越大。連接印刷電路板的導線采用雙絞線的原因是,導線產生的磁場影響會因此被減弱。雙絞線構成的一個個小圈所產生的磁場會交替地呈相反方向,讓磁場抵消,從而減少輻射噪聲。


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                      電場變化產生磁場,磁場變化產生電場


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                      環狀電場和磁場交替連接,跨越空間的話就形成了電磁波


                      在電路元件高度集成的電子設備中,靜電結合和電磁結合會復雜地交錯,線路的信號因此就能輕松地侵入其它線路。這稱為“串擾”,隨著電子設備的小型化,電路板上的噪聲問題也開始激增。為了減少噪聲影響,人們常采用屏蔽線。屏蔽線確實對靜電結合與電磁結合都有效,但在此之前,需要在電路配置上花費工夫,例如讓電壓、電流變動大的導線遠離,讓導線交叉而不并行等。


                      電子設備是不可能根除噪聲的。正因如此,兼顧生成噪聲和侵入噪聲對策的EMC方案變得愈發重要了起來。那么,噪聲的模式與行為有哪些?為何Earth與Ground的區別很重要?我們將在下一篇推文中繼續講解。


                      來源:TDK



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