EMI静噪滤波器(EMC・噪声对策)

EMI静噪滤波器(EMC・噪声对策)静噪基础教程第2部分
DC电源电缆连接部的静噪对策

静噪基础教程
第2部分

主题一

主题二

主题三

主题四

主题五

主题六

主题七

7-1.简介
7-2.DC电源电缆连接处的静噪对策示例
7-3.总结

主题七

DC电源电缆连接部的静噪对策

7-1. 简介

为了使电子电路在低电压下高速运行，关键是要确保DC电源线的品质（Power Integrity : PI）。
在前一章“数字IC电源周围的静噪对策”中，就确保数字IC的PI以及静噪对策方法进行了讲解。理想情况下，应在各IC电源周围全面实施静噪对策。然而，在多个电路运行的电子电路板上，噪声有时会传播到所连接的DC电源电缆，并引发问题。
此外，不只是电源系统，来自数字信号电路、开关型DC-DC转换器（下文称为DC-DC）等多种电路产生的噪声，也可能通过GND作为共模噪声传播到DC电源电缆。
因此，本章将聚焦DC电源电缆连接处的静噪对策进行讲解。

7-2. DC电源电缆连接处的静噪对策示例

7-2-1. 评估电路板与初始噪声测量结果

在此通过试制集成DC-DC和数字电路的评估电路板，并在DC电源电缆连接处采取静噪对策的示例进行讲解。
试制电路板的外观如图2-1所示，电路图如图2-2所示。

图2-1　评估电路板

图2-2　电路图

该电路板中，DC电源通过电缆将5V电压输入到DC-DC，并输出3.3V供给数字电路。
数字电路振荡产生40MHz的方波，并将其输出输入到NOT电路。NOT电路的输出在端子附近通过电容器进行端接。为了预防噪声问题，已在数字电路的电源输入部使用电容器和铁氧体磁珠实施静噪对策。

辐射发射的测量条件如图2-3所示。
在电波暗室中，使EUT与天线相距3m，天线高1m，使用水平极化固定，使转台旋转一圈进行测量。

图2-3　辐射发射的测量条件

图2-4　辐射发射的测量结果（实测）

辐射发射的测量结果如图2-4所示。
结果确认了每隔40MHz出现窄带噪声。此外，基底上还叠加了宽带噪声。

※本文中将频谱宽度窄的情况称为“窄带”，宽的情况称为“宽带”。但是，有时也将窄频谱出现在宽频率范围的情况称为“宽带噪声”。

7-2-2. 宽带噪声的分析

首先，对150MHz附近的宽带噪声进行了分析。
为了提高频率分辨率，将频谱分析仪的测量范围缩小到2MHz，并将RBW（Resolution Bandwidth）从120kHz更改为10kHz。其结果（图2-5）观测到了间隔150kHz的噪声，表明宽带噪声是150kHz的高次谐波。

图2-5　150MHz放大（RBW10kHz）

DC-DC的输入输出波形和电压频谱的示例如图2-6所示。由于开关动作使DC-DC的输出为矩形波，因此与数字信号同样，存在高次谐波噪声的问题。
开关（SW）频率和占空比根据负载条件变化，本电路板以150kHz的频率进行开关，这与辐射发射的频率间隔一致。由此可知，宽带噪声源自DC-DC。

图2-6　DC-DC电压波形与电压频谱

通过缩小RBW提高频率分辨率的原理如图2-7所示。
频谱分析仪扫描带通滤波器的通带，并测量其电压。缩小RBW会使滤波器带宽变窄，因此分辨率提高。但是，谐波次数越高，频率变动幅度越大，分析就越困难。此外，当由于DC-DC的负载变动引起SW频率变动，或者为了降噪而进行了扩频（SS : Spectrum Spread）时，分析也会变得困难。

图2-7　由RBW导致的测量结果差异

7-2-3. 窄带噪声（40MHz高次谐波）的分析

40MHz与数字电路的工作频率一致，因此推测其很有可能是该频率的高次谐波。
但是，数字电路的电源输入部已经采取了措施，输出也通过电容器进行了端接，因此并未直接连接到DC电源电缆。
为掌握情况，使用图2-8所示的接触式EMI探头测量了电路板上的噪声水平（参考图示）。将接触式探头连接到频谱分析仪，对电路板各部位的噪声水平进行了相对比较。

图2-8　电容耦合型EMI探头

测量结果如图2-9所示。结果表明，数字IC的GND噪声水平较高，该噪声传播到了DC电源电缆连接处。

图2-9　使用EMI探头确认GND噪声水平的结果

此外，为了更清晰地了解情况，使用磁场探头在电路板上扫描，将磁场分布可视化。
磁场探头如图2-10所示，测量区域如图2-11所示。

图2-10　磁场探头

图2-11　测量区域

图2-12　测量频率

磁场探头测量的磁场分布结果如图2-13所示。
由此可见，数字电路周围的噪声强烈，并传播到邻近区域。
同时还测量了拆除NOT电路输出端接电容器后的磁场分布。
可以认为，通过拆除终端电容器，流入GND的电流减少，GND的噪声水平也随之降低。

图2-13　数字电路周围磁场分布测量结果

7-2-4. 辐射源的调查

辐射发射不仅来自电缆，也可能来自电路板本身。
当在电缆上安装了铁氧体磁芯，辐射发射峰值降低了10dB以上（图2-14）。由此表明电缆是强辐射源。但是，安装铁氧体磁芯后仍残留较强的辐射，因此可以认为电路板本身也是辐射源。
由于噪声可能通过GND从电缆辐射，因此仅将50cm长的电缆连接到GND，并观测了辐射发射。由于40MHz高次谐波增加了10dB以上，因此表明源自数字电路的噪声通过GND传播到了电缆。此外，由于宽带噪声增加了5dB以上，表明源自DC-DC的共模噪声也传播到了电缆并发生辐射。
仅V+侧连接电缆时，宽带噪声比仅连接GND时增加了10dB以上，表明除了共模噪声外，DC-DC产生的差模噪声也从V+电缆发生辐射。

图2-14　电缆辐射发射的确认结果

7-2-5. 差模与共模噪声的对策结果

由于发现DC电源电缆中同时包含差模噪声和共模噪声，因此分别实施了适合不同噪声的静噪对策（图2-15）。

差模噪声静噪对策 : 铁氧体磁珠+电容器
→ 降低宽带噪声
共模噪声静噪对策 : 共模扼流线圈
→ 降低40MHz高次谐波

图2-15　电缆辐射发射的静噪对策结果

7-3. 总结

从准备的电路板辐射出以下噪声 :

DC-DC产生的宽带差模噪声和共模噪声
数字电路40MHz高次谐波引起的共模噪声

结果表明，差模噪声和共模噪声两者均有辐射，因此实施了适合不同噪声的静噪对策。

差模噪声静噪对策……铁氧体磁珠和电容器
共模噪声静噪对策……共模扼流线圈

通过此类对策遏制了辐射发射。但是，由于电路板本身也有噪声辐射，为了进一步遏制，需要对作为噪声源的电路本身采取对策，以降低电路板上的噪声水平。

参考

测量具有AC/DC电源电缆的设备的噪声时，如果改变DC电源或变更测量场地，数据的再现性或不同测量场地间的相关性往往会成为问题。例如，如果变更了测量场地，地板下敷设的电缆长度和接地条件将会改变。此类变更的影响将导致电源系统的阻抗发生变化。由此引起噪声分布的差异，导致辐射发射等也随之而改变。

我们将该电源系统的影响与3D电磁场模拟器和电路模拟器联动，对DC电源电缆连接处的噪声进行了可视化分析。首先，模拟DC电源电缆长度产生的影响。

模拟模型如图1-1所示。本项模拟的结构是在搭载了DC-DC的电路板上连接DC电源电缆（下文称为“电缆”），并从该电缆端供给DC电源。

图1（a）是电磁场模拟器的模型。电路板为双面结构，表面配置了DC-DC和电源图案，背面配置了GND图案。为了易于直观理解元器件布局，配置了虚拟元器件。同时，图案部分亦采用虚拟图案。
图1（b）是电路模拟器的模型。DC-DC由开关、二极管、电感器和电容器构成。

图1（a）　3D电磁场模拟器的模型

图1（b）　电路模拟器的模型

变更后的DC电源电缆长度的辐射发射如图2所示，磁场分布如图3所示。

图2　因电缆长度导致的辐射发射差异

图3　因电缆长度及频率导致的磁场分布差异

由此可见，电缆的长度会改变辐射发射的谐振频率。
这种未接地状态下的磁场分布，具有电缆端面（DC电源输入部）的磁场非常小的特征。接地后磁场分布将会发生变化。

鉴于此，接下来介绍与接地板连接时的模拟结果。
未接地模型仅在电路板下方铺设了金属板，并未连接。
接地模型则增加了两块垂直放置的金属板。这两块金属板分别与DC电源电缆的端面和电路板的端面连接（图4）。

图4　用于确认接地影响的模拟模型

使用该模型时的辐射发射模拟结果如图5所示，磁场分布如图6所示。

图5　接地条件对辐射发射的影响

图6　接地条件对磁场分布的影响

接地前，电缆端面的磁场值非常小，但接地后端面的磁场值有所增加。
受此影响，辐射发射也发生了变化。
由此可见，接地条件也是影响噪声测量的重要因素。

电源系统对噪声产生的影响的讲解到此结束。
由于不同电源系统的阻抗不同，因此统一测量条件尤为重要。
为此，根据噪声评估的相关标准，为了稳定DC电源线路及AC电源线路的阻抗，规定要插入LISN（Line Impedance Stabilization Network）或AMN（Artificial Mains Network）。