噪声从何而来
电磁噪声是电子设备内部的时钟(Clock)信号、开关电源(SMPS)、高速数字信号等 在工作过程中产生的非预期电磁能量。 数字信号陡峭的上升沿和下降沿(开关动作)会产生达到基波数倍乃至数十倍的谐波(Harmonics), 设备运行速度越快,噪声覆盖的频率范围也越宽。
这些能量一旦侵入其他电路或设备,就会引起误动作、画质·音质下降、通信灵敏度降低(天线接收灵敏度下降)等问题。 这就是EMI(电磁干扰)。
所有噪声问题都由噪声源(Source)、传播路径(Path)、受扰电路(Victim)三个要素构成。 噪声源和受扰电路在设计上往往难以更改,因此实际对策大多是切断或削弱传播路径—— 这也是为什么了解噪声的传播路径是制定对策的出发点。
按传播路径区分:传导噪声 vs 辐射噪声
| 类型 | 传播路径 | 主要频率范围 | 代表性对策 |
|---|---|---|---|
| 传导噪声 (Conducted Emission) |
沿电源线、信号线、线缆等导体传播 | 主要在30MHz以下 (法规限值通常为150kHz~30MHz) |
噪声滤波器、铁氧体磁环、电容 |
| 辐射噪声 (Radiated Emission) |
以电磁波形式向空间辐射 | 主要在30MHz以上高频段 | 屏蔽(导电胶带·屏蔽片)、吸收材料、接地 |
导电胶带和屏蔽材料主要应对的是辐射噪声。 频率越高,短小的布线和微小的缝隙也会像天线一样工作, 因此在高速化、高集成化的现代设备中,辐射噪声对策的重要性正不断提高。
实际EMI问题的主因:共模(CM)噪声
噪声按其流动方式(模式)可分为两类。
- 差模(Differential Mode, DM):在信号线与回流线之间往返流动、与正常信号路径相同的噪声。往返电流的磁场相互抵消,辐射相对较弱。
- 共模(Common Mode, CM):沿整条线缆、机壳、地线朝同一方向流动的噪声。由于不存在抵消,即使微小的电流也会强烈辐射,此时线缆就成了发射天线。
实际工作中遇到的EMI问题大多是共模噪声:电路板上产生的噪声借助地线上微小的电位差流向线缆并向外辐射。 因此,除了对噪声源进行屏蔽,为噪声电流建立一条安全返回的低阻抗接地路径是对策的核心。
导电胶带消除噪声的原理
导电胶带通过两种作用应对噪声。
- 屏蔽(Shielding):Cu、Al、导电纤维(Fabric)等导电层反射并吸收电磁波,阻止其通过。导电率越高、开口(缝隙)越少,屏蔽性能越好。
- 接地(Grounding):以低阻抗将噪声源或屏蔽层连接到GND·机壳,把噪声电流引导到安全的路径。这是共模噪声对策的关键,要求胶粘层本身也能导电,即具备垂直导电性(Z轴导电性),使胶带上下两面实现电气连通。
SE表示材料对电磁波的衰减程度:以电场计,20dB意味着将电磁波衰减至1/10,40dB衰减至1/100。 测量方法不同结果差异很大——KEC法表征近场特性,ASTM D4935表征远场特性—— 因此比较材料时务必同时确认测试标准和频率范围。
实务要点
- 接触电阻:接触电阻低,高频下的屏蔽和接地效果才能保持。表面氧化或胶粘剂老化会使电阻随时间上升,应选择耐腐蚀性和粘接可靠性经过验证的材料。
- 缝隙(Slot)管理:缝隙长度达到噪声频率波长的1/20~1/10时就会开始泄漏。例如在1GHz(波长约30cm)下,1.5~3cm的缝隙就可能破坏屏蔽。胶带接缝处应保持搭接(Overlap)和连续接触。
- 接地点:悬空的屏蔽层反而可能变成天线。应通过尽量短、阻抗尽量低的路径将屏蔽层连接到GND·机壳。
- 确认频率范围:只有掌握问题噪声的频率,才能匹配合适的材料与对策。可利用EMC测试数据或近场扫描结果。
常见问题
- 贴了屏蔽胶带,噪声却没有减少。
- 最常见的原因有三:其一,屏蔽层未接地,噪声电流没有泄放路径; 其二,共模噪声沿线缆在屏蔽区域之外辐射,此时需同时采取线缆接地和滤波对策; 其三,高频通过接缝处的缝隙泄漏。建议首先检查屏蔽覆盖范围和接地状态。
- 起初有效果,但随着时间推移噪声又变大了。
- 导电层表面氧化或胶粘剂老化会使接触电阻上升,接地性能下降,屏蔽效果随之减弱。 在高温高湿或振动环境下,应确认材料是否通过了环境可靠性测试, 并检查装配结构是否能持续保持接触压力。
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