【EMC基礎(chǔ)篇②】噪聲的根源和種類，追蹤看不見的噪聲

無(wú)現(xiàn)金支付 (手機(jī)支付)、可優(yōu)化暖氣和照明等耗電量的智能家居、電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛技術(shù)、搭載AI畫面識(shí)別技術(shù)的自動(dòng)安檢設(shè)備和機(jī)器人——我們周圍的環(huán)境正發(fā)生急速的變化。為這些技術(shù)提供支持的正是大量的電信號(hào)傳導(dǎo)。今后預(yù)計(jì)還會(huì)不斷出現(xiàn)各種先進(jìn)技術(shù)，電信號(hào)的傳導(dǎo)也需要達(dá)到與之相符的高速大容量。而且，這些信號(hào)還必須保證高安全性和可靠性。

實(shí)際上，電信號(hào)和噪聲都是電磁能量，因此電子化生活越是便利，電子設(shè)備就越需要噪聲對(duì)策。

我們周圍的電氣電子設(shè)備多少都算是噪聲的產(chǎn)生源，看不見的噪聲與熱量有類似之處。眾所周知，熱的移動(dòng)分為傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種。保溫瓶的內(nèi)部是真空的雙層構(gòu)造，這是為了防止空氣的熱傳導(dǎo)和對(duì)流。不過(guò)，輻射熱屬于電磁波 (紅外線)，即使真空也無(wú)法阻斷。因此，杯子里面會(huì)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(jù)傳遞方式大致分為傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲。傳導(dǎo)噪聲通過(guò)電源線、信號(hào)線、印刷電路板的電路等，與信號(hào)一起移動(dòng)。輻射噪聲無(wú)需介質(zhì)，以電磁波形式飛散。

傳導(dǎo)噪聲的入侵線路相對(duì)比較明確，但和信號(hào)類似，難以識(shí)別。電信號(hào)一般會(huì)以電壓變化的方式傳導(dǎo)，但噪聲也是這種變化的一部分，會(huì)與電信號(hào)融合。

電路板和地面間的靜電結(jié)合，以及線路間的電磁結(jié)合會(huì)成為噪聲的傳輸路徑。此外，電路板若直接存在電勢(shì)差，就會(huì)形成大型的電流循環(huán)，成為噪聲傳輸路徑。并且，傳導(dǎo)噪聲還會(huì)變?yōu)檩椛湓肼?，輻射噪聲也?huì)變?yōu)閭鲗?dǎo)噪聲。

輻射噪聲比傳導(dǎo)噪聲還要令人難以捉摸。即使沒(méi)有線纜連接，輻射噪聲也會(huì)找機(jī)會(huì)侵入其它電子設(shè)備，系統(tǒng)內(nèi)的噪聲會(huì)變?yōu)橄到y(tǒng)間的噪聲，擴(kuò)大影響范圍。在高頻電流的電路中，線路的電感等成分會(huì)產(chǎn)生無(wú)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(shí)鐘頻率高達(dá)Ghz的電腦等設(shè)備等成為了輻射噪聲的主要產(chǎn)生源之一。

上一篇推文中也提到過(guò)，噪聲對(duì)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(wú)用電磁波的泄露。不過(guò)，CD和DVD的取出口、散熱通氣口、金屬板的接縫處等位置會(huì)形成“窗口”，無(wú)用電磁波會(huì)從此逃出。此外，與周圍設(shè)備連接的線纜哪怕掉了一塊皮，也會(huì)形成天線，輻射無(wú)用電磁波。電信號(hào)和噪聲本質(zhì)上是相同的東西。如果沒(méi)有在產(chǎn)生源采取對(duì)策，之后就無(wú)從挽救了。如果只是“臨陣磨槍”，反而會(huì)“賠了夫人又折兵”，讓噪聲進(jìn)一步增加。

噪聲也會(huì)通過(guò)靜電結(jié)合與電磁結(jié)合的方式擴(kuò)大。有電流的導(dǎo)體附近若存在其它導(dǎo)體，就會(huì)構(gòu)成看不見的電容器 (浮游容量)，并產(chǎn)生誘導(dǎo)電壓。這稱為靜電結(jié)合。高頻電流流動(dòng)時(shí)，其導(dǎo)體也會(huì)隨之產(chǎn)生電壓變化，造成輻射噪聲和傳導(dǎo)噪聲，對(duì)設(shè)備造成負(fù)面影響。

電磁結(jié)合是磁場(chǎng)引發(fā)的誘導(dǎo)現(xiàn)象。交流電路的旁邊若有其它電路，產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化就會(huì)導(dǎo)致電流。這可以根據(jù)法拉第電磁誘導(dǎo)法則推導(dǎo)，和變壓器是相同的原理。磁場(chǎng)的時(shí)間性變動(dòng)越激烈、兩個(gè)電路循環(huán)的面積越大、兩個(gè)電路越接近，電磁結(jié)合所誘發(fā)的噪聲電壓就越大。連接印刷電路板的導(dǎo)線采用雙絞線的原因是，導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響會(huì)因此被減弱。雙絞線構(gòu)成的一個(gè)個(gè)小圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)交替地呈相反方向，讓磁場(chǎng)抵消，從而減少輻射噪聲。

電場(chǎng)變化產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)變化產(chǎn)生電場(chǎng)

環(huán)狀電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(shè)備中，靜電結(jié)合和電磁結(jié)合會(huì)復(fù)雜地交錯(cuò)，線路的信號(hào)因此就能輕松地侵入其它線路。這稱為“串?dāng)_”，隨著電子設(shè)備的小型化，電路板上的噪聲問(wèn)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(shí)對(duì)靜電結(jié)合與電磁結(jié)合都有效，但在此之前，需要在電路配置上花費(fèi)工夫，例如讓電壓、電流變動(dòng)大的導(dǎo)線遠(yuǎn)離，讓導(dǎo)線交叉而不并行等。

電子設(shè)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(duì)策的EMC方案變得愈發(fā)重要了起來(lái)。那么，噪聲的模式與行為有哪些？為何Earth與Ground的區(qū)別很重要？我們將在下一篇推文中繼續(xù)講解。

來(lái)源：TDK