采用增加滤波器的方法来减少单片机噪声干扰

在电路板中，许多因素会增加“噪声（EMI/RFI）”干扰，从而可能损坏或干扰电子设备的功能。单片机如果受到噪声干扰，可能会导致单片机的程序出错，甚至引起事故发生。今天的汽车就是一个很好的例子，比如Wi-Fi、蓝牙、卫星无线电、GPS系统等等。为了减少这种噪声干扰，业界通常使用屏蔽罩和EMI滤波器来消除有害噪声。

　　但是现在，消除EMI/RFI的一些传统解决方案已不再足够。当电子设备接收到强大的电磁波时，电路中可能会感应到有害电流，从而导致意外操作或干扰预期的操作。EMI/RFI可以传导或辐射的形式出现，传导指的是噪声沿着导体传播，当噪声作为磁场或无线电波在空气中传播时，为辐射噪声。

　　即使从外部施加的能量很小，如果与用于广播和通信的无线电波混合，也会导致接收损失，声音异常或视频中断。如果能量太强，可能会损坏电子设备。　

   　“噪声”的来源包括自然噪声，例如静电放电，照明和其他来源，以及人为噪声，例如接触噪声，使用高频的泄漏设备，有害发射等。通常，EMI/RFI噪声是共模噪声，因此解决方案是使用EMI滤波器（作为单独的设备或嵌入在电路板中）消除不需要的高频。

　　一、什么是EMI电源滤波器？

　　EMI滤波器通常由连接成电路的无源组件（例如电容器和电感器）组成。 电感器允许直流或低频电流通过，同时阻止有害的有害高频电流。电容器提供了低阻抗路径，可将高频噪声从滤波器的输入转移回电源或接地。

　　传统的共模滤波方法包括使用电容器的低通滤波器，该电容器使频率低于所选截止频率的信号通过，并衰减频率高于截止频率的信号。

　　一个常见的方法是在差分配置中应用一对电容器，在每个迹线和差分输入的地之间接一个电容器。每条支路中的电容性滤波器将EMI/RFI转移到高于指定截止频率的地。因为此配置涉及通过两条线发送同相的信号，所以在将不需要的噪声发送到地面的同时，提高了信噪比。

　　但是，带有X7R电介质的MLCC的电容值随时间，偏置电压和温度变化很大。因此，即使在给定的时间在室温下以低电压紧密匹配两个电容器，但一旦电压或温度发生变化，它们最终很可能以不同的值结束。两条线之间的这种不匹配将导致滤波器截止附近的响应不相等。因此，它将共模噪声转换为差分噪声。

　　另一个解决方案是在两个电容器之间桥接一个大值的电容器（如下图）。该电容分流器可提供理想的共模平衡效果，但具有差分信号滤波的不良副作用。滤共模扼流圈也许是最常见的解决方案，也是低通波器的替代方案。

　　共模扼流圈是1：1变压器，其中两个绕组同时充当初级和次级。在这种方法中，通过一个绕组的电流在另一绕组中感应出相反的电流。但是，共模扼流圈很大个、稍贵，并且容易引起振动故障。

　　尽管如此，在绕组之间具有完美匹配和耦合的合适的共模扼流圈对于差分信号是透明的，并且对共模噪声具有高阻抗。共模扼流圈的一个缺点是由于寄生电容而限制了频率范围。对于给定的芯材料，用于获得低频滤波的电感越大，所需的匝数就越大，因此产生的寄生电容也会使高频滤波失败。

　　绕组之间由于机械制造公差而导致的不匹配会导致模式转换，其中一部分信号能量转换为共模噪声，反之亦然。这种情况引发电磁兼容性和抗扰性问题。 不匹配还会降低每条脚的有效电感。

　　无论如何，当差分信号（通过）在与必须抑制的共模噪声相同的频率范围内工作时，共模扼流圈确实比其他选择具有明显优势。使用共模扼流圈，信号通带可以扩展到共模抑制带。

　　二、什么是片式EMI滤波器？

　　尽管共模扼流圈应用很普遍，考虑到高度集成电路，可以选择片式EMI滤波器。正确布局后，这些多层陶瓷组件可出色地抑制共模噪声。它们在一个封装中结合了两个平衡并联电容器，具有互感消除和屏蔽效果。这些滤波器在连接到四个外部连接的单个设备中使用两条独立的电气路径。

　　为避免混淆，应注意：片式EMI滤波器不是传统的直通电容器。尽管它们看起来相同（相同的包装和外观），但它们的设计却大不相同，并且它们的连接方式不同。与其他EMI滤波器一样，片式EMI滤波器会衰减高于指定截止频率的所有能量，并且仅选择传递所需的信号能量，同时将不需要的噪声转移到“接地”。

　　片式EMI滤波器的好处是电感和匹配阻抗非常低。使用片式EMI滤波器时，终端内部连接到设备内的公共参考（屏蔽）电极，并且平板被参考电极隔开。在静电上，三个电节点由两个电容半部分形成，它们共享公共参考电极，所有参考电极都包含在单个陶瓷体内。

　　两半电容器之间的平衡还意味着压电效应相等且相反，从而抵消了。这种关系也会影响温度和电压的变化，因此两条线上的组件均等地老化。如果这些片式EMI滤波器有一个缺点，那就是如果共模噪声与差分信号的频率相同，则无法使用它们。