【導(dǎo)讀】電磁干擾現(xiàn)象人們?cè)缫阉究找?jiàn)慣、習(xí)以為常了，但是電磁干擾的危害卻遠(yuǎn)不止如此。事實(shí)上，電磁干擾已使民航系統(tǒng)失效、通信不暢、計(jì)算機(jī)運(yùn)行錯(cuò)誤、自控設(shè)備誤動(dòng)作等，甚至危及人身安全。因此如何有效的抑制電磁干擾成為模擬工程師必須具備和考慮的因素，在這里為大家詳述了什么是電磁干擾，如何有效的抑制電磁干擾。
電子線(xiàn)路與電磁干擾的分析
現(xiàn)代的電子產(chǎn)品，功能越來(lái)越強(qiáng)大，電子線(xiàn)路也越來(lái)越復(fù)雜，電磁干擾(EMI)和電磁兼容性問(wèn)題變成了主要問(wèn)題，電路設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)師的技術(shù)水平要求也越來(lái)越高。電磁干擾一般都分為兩種，傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過(guò)空間把其信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。因此對(duì)EMC問(wèn)題的研究就是對(duì)干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備三者之間關(guān)系的研究。
美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)在1990年、歐盟在1992提出了對(duì)商業(yè)數(shù)碼產(chǎn)品的有關(guān)規(guī)章，這些規(guī)章要求各個(gè)公司確保他們的產(chǎn)品符合嚴(yán)格的磁化系數(shù)和發(fā)射準(zhǔn)則。符合這些規(guī)章的產(chǎn)品稱(chēng)為具有電磁兼容性。
目前全球各地區(qū)基本都設(shè)置了EMC相應(yīng)的市場(chǎng)準(zhǔn)入認(rèn)證，用以保護(hù)本地區(qū)的電磁環(huán)境和本土產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。如：北美的FCC、NEBC認(rèn)證、歐盟的CE認(rèn)證、日本的VCCEI認(rèn)證、澳洲的C-tick人證、臺(tái)灣地區(qū)的BSMI認(rèn)證、中國(guó)的3C認(rèn)證等都是進(jìn)入這些市場(chǎng)的“通行證”。
電磁感應(yīng)與電磁干擾
很多人從事電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)的時(shí)候，都是從認(rèn)識(shí)電子元器件開(kāi)始，但從事電磁兼容設(shè)計(jì)實(shí)際上應(yīng)從電磁場(chǎng)理論開(kāi)始，即從電磁感應(yīng)認(rèn)識(shí)開(kāi)始。
一般電子線(xiàn)路都是由電阻器、電容器、電感器、變壓器、有源器件和導(dǎo)線(xiàn)組成，當(dāng)電路中有電壓存在的時(shí)候，在所有帶電的元器件周?chē)紩?huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，當(dāng)電路中有電流流過(guò)的時(shí)候，在所有載流體的周?chē)即嬖诖艌?chǎng)。
電容器是電場(chǎng)最集中的元件，流過(guò)電容器的電流是位移電流，這個(gè)位移電流是由于電容器的兩個(gè)極板帶電，并在兩個(gè)極板之間產(chǎn)生電場(chǎng)，通過(guò)電場(chǎng)感應(yīng)，兩個(gè)極板會(huì)產(chǎn)生充放電，形成位移電流。實(shí)際上電容器回路中的電流并沒(méi)有真正流過(guò)電容器，而只是對(duì)電容器進(jìn)行充放電。當(dāng)電容器的兩個(gè)極板張開(kāi)時(shí)，可以把兩個(gè)極板看成是一組電場(chǎng)輻射天線(xiàn)，此時(shí)在兩個(gè)極板之間的電路都會(huì)對(duì)極板之間的電場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)。在兩極板之間的電路不管是閉合回路，或者是開(kāi)路，在與電場(chǎng)方向一致的導(dǎo)體中都會(huì)產(chǎn)生位移電流(當(dāng)電場(chǎng)的方向不斷改變時(shí))，即電流一會(huì)兒向前跑，一會(huì)兒向后跑。
電場(chǎng)強(qiáng)度的定義是電位梯度，即兩點(diǎn)之間的電位差與距離之比。一根數(shù)米長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)，當(dāng)其流過(guò)數(shù)安培的電流時(shí)，其兩端電壓最多也只有零點(diǎn)幾伏，即幾十毫伏/米的電場(chǎng)強(qiáng)度，就可以在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的電流，可見(jiàn)電場(chǎng)作用效力之大，其干擾能力之強(qiáng)。
電感器和變壓器是磁場(chǎng)最集中的元件，流過(guò)變壓器次級(jí)線(xiàn)圈的電流是感應(yīng)電流，這個(gè)感應(yīng)電流是因?yàn)樽儔浩鞒跫?jí)線(xiàn)圈中有電流流過(guò)時(shí)，產(chǎn)生磁感應(yīng)而產(chǎn)生的。在電感器和變壓器周邊的電路，都可看成是一個(gè)變壓器的感應(yīng)線(xiàn)圈，當(dāng)電感器和變壓器漏感產(chǎn)生的磁力線(xiàn)穿過(guò)某個(gè)電路時(shí)，此電路作為變壓器的“次級(jí)線(xiàn)圈”就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。兩個(gè)相鄰回路的電路，也同樣可以把其中的一個(gè)回路看成是變壓器的“初級(jí)線(xiàn)圈”，而另一個(gè)回路可以看成是變壓器的“次級(jí)線(xiàn)圈”，因此兩個(gè)相鄰回路同樣產(chǎn)生電磁感應(yīng)，即互相產(chǎn)生干擾。
在電子線(xiàn)路中只要有電場(chǎng)或磁場(chǎng)存在，就會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)線(xiàn)、集成電路的引腳、各類(lèi)接插件等都可能成為具有天線(xiàn)特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其它系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。
電磁干擾的分類(lèi)
具體到“電磁干擾”,可以按照下面所列七類(lèi)進(jìn)行劃分：
按照發(fā)生源劃分
按照傳播路徑劃分
按照輻射干擾的產(chǎn)生原因劃分
按照不同設(shè)備的工作原理劃分
按照發(fā)生的頻率劃分
按照頻率范圍劃分
不同的交流電源
而且可以在每一類(lèi)中進(jìn)一步分類(lèi)。根據(jù)發(fā)生源可將干擾細(xì)分如圖1～圖4。
圖1 電磁干擾源類(lèi)別
圖2自然干擾源類(lèi)別
圖3人為干擾源類(lèi)別
圖4 內(nèi)部干擾源類(lèi)別
從受干擾方面來(lái)看,外來(lái)噪聲是外界干擾,內(nèi)部噪聲是機(jī)內(nèi)噪聲。
除此之外,噪聲按傳遞途徑分類(lèi)如圖5所示。
圖5 按照干擾傳輸路徑分類(lèi)
干擾傳播的途徑如圖6所示。有通過(guò)電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)、地線(xiàn)、大地等途徑傳播的“傳導(dǎo)干擾”,也有通過(guò)空間直接傳播的“空間干擾”。
這些噪聲并不獨(dú)立存在,在傳播過(guò)程中又會(huì)出現(xiàn)新的復(fù)雜噪聲。
圖6 干擾傳播路徑
造成數(shù)字電路工作不正常的干擾可分為：①電源干擾,②反射,③振鈴(LC共振)：上沖、下沖,④狀態(tài)翻轉(zhuǎn)干擾,⑤串?dāng)_干擾(相互干擾、串音),⑥直流電壓跌落。
造成開(kāi)關(guān)電源質(zhì)量下降的干擾分為：①出現(xiàn)在輸出入端子上的干擾(電流交流聲,尖峰脈沖噪聲,回流噪聲);②影響內(nèi)部工作的干擾(開(kāi)關(guān)干擾,振蕩,再生噪聲)。
按發(fā)生的頻率分為：突發(fā)干擾,脈沖干擾,周期性干擾,瞬時(shí)干擾,隨機(jī)干擾,跳動(dòng)干擾。
造成交流電源質(zhì)量下降的干擾分為：高次諧波干擾,保護(hù)繼電器,開(kāi)關(guān)的震顫干擾,雷電涌,尖峰脈沖干擾,噴射環(huán)電弧,瞬時(shí)浪涌。
將來(lái)可能會(huì)將下面這些項(xiàng)目歸入到交流干擾內(nèi)：瞬時(shí)停電,瞬時(shí)下降,頻率變化,電壓變化,高次諧波失真。
另外還干擾按頻率分為：低頻干擾,高頻干擾。
如上所述,干擾可以分成很多類(lèi)別,這些干擾既產(chǎn)生于電氣電子設(shè)備,又干擾電氣電子設(shè)備,造成設(shè)備的故障和停用,帶來(lái)經(jīng)濟(jì)和人員傷害。為了使各種設(shè)備能夠互不干擾,正常工作,應(yīng)運(yùn)而生了EMC技術(shù)。
簡(jiǎn)而言之,EMC是“不發(fā)干擾,不受干擾”。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外都在研究開(kāi)發(fā)EMC技術(shù),并應(yīng)用于電氣電子設(shè)備的制造中。
問(wèn)： 什么是共模干擾和差模干擾?為什么有二種?
答： 從干擾源發(fā)出的干擾泄漏到外部的途徑、或者是干擾侵入到受干擾的設(shè)備中的途徑,有電壓、電流通過(guò)電源線(xiàn)或信號(hào)線(xiàn)的傳導(dǎo)傳輸和靠電磁波在空間輻射傳輸二種途徑。
電壓電流的變
化通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)傳輸時(shí)有二種形態(tài),我們將此稱(chēng)做“共模”和“差模”。設(shè)備的電源線(xiàn)、電話(huà)等的通信線(xiàn)、與其它設(shè)備或外圍設(shè)備相互交換的通訊線(xiàn)路,至少有兩根導(dǎo)線(xiàn),這兩根導(dǎo)線(xiàn)作為往返線(xiàn)路輸送電力或信號(hào)。但在這兩根導(dǎo)線(xiàn)之外通常還有第三導(dǎo)體,這就是“地線(xiàn)”。干擾電壓和電流分為兩種：一種是兩根導(dǎo)線(xiàn)分別做為往返線(xiàn)路傳輸;另一種是兩根導(dǎo)線(xiàn)做去路,地線(xiàn)做返回路傳輸。前者叫“差模”,后者叫“共模”。
如圖7所示,電源、信號(hào)源及其負(fù)載通過(guò)兩根導(dǎo)線(xiàn)連接。流過(guò)一邊導(dǎo)線(xiàn)的電流與另一邊導(dǎo)線(xiàn)的電流幅度相同,方向相反。但是干擾源并不一定連接在兩根導(dǎo)線(xiàn)之間。由于噪聲源有各種形態(tài),所以也有在兩根導(dǎo)線(xiàn)與地線(xiàn)之間的電壓。其結(jié)果是流過(guò)兩根導(dǎo)線(xiàn)的干擾電流幅度不同。
圖7 差模干擾
請(qǐng)看圖8,在加在兩線(xiàn)之間的干擾電壓的驅(qū)動(dòng)下,兩根導(dǎo)線(xiàn)上有幅度相同但方向相反的電流(差模電流)。但如果同時(shí)在兩根導(dǎo)線(xiàn)與地線(xiàn)之間加上干擾電壓,兩根線(xiàn)就會(huì)流過(guò)幅度和方向都相同的電流,這些電流(共模)合在一起經(jīng)地線(xiàn)流向相反方向。我們來(lái)考察流過(guò)兩根導(dǎo)線(xiàn)的電流。一根導(dǎo)線(xiàn)上的差模干擾電流與共模干擾同向,因此相加;另一根導(dǎo)線(xiàn)上的差模噪聲與共模噪聲反向,因此相減。因此,流經(jīng)兩根導(dǎo)線(xiàn)的電流具有不同的幅度。
我們?cè)賮?lái)考慮一下對(duì)地線(xiàn)的電壓。如圖8,對(duì)于差模電壓,一根導(dǎo)線(xiàn)上是(線(xiàn)間電壓)/2,而另一根導(dǎo)線(xiàn)上是 -(線(xiàn)間電壓)/2,因而是平衡的。但共模電壓兩根導(dǎo)線(xiàn)上相同。所以當(dāng)兩種模式同時(shí)存在時(shí),兩根導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地線(xiàn)的電壓也不同。
圖8 對(duì)地電壓/電流與差模、共模電壓/電流之間的關(guān)系
因此,當(dāng)兩根導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地線(xiàn)電壓或電流不同時(shí),可通過(guò)下列方法求出兩種模式的成分：
VN =(V1-V2)/ 2 Vc=(V1+V2)/ 2
IN =(I1-I2)/ 2 Ic=(I1+I2)/ 2
通過(guò)被連接的電路,兩根導(dǎo)線(xiàn)終端與地線(xiàn)之間存在著阻抗。這兩條線(xiàn)的阻抗一旦不平衡,在終端就會(huì)出現(xiàn)模式的相互轉(zhuǎn)換。即通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)傳遞的一種模式在終端反射時(shí),其中一部分會(huì)變換成另一種模式。
另外,通常兩根導(dǎo)線(xiàn)之間的間隔較小,導(dǎo)線(xiàn)與地線(xiàn)導(dǎo)體之間距離較大。所以若考慮從導(dǎo)線(xiàn)輻射的干擾,與差模電流產(chǎn)生的輻射相比,共模電流輻射的強(qiáng)度更大。
與此相反,可以說(shuō)因外部電磁場(chǎng)干擾在導(dǎo)線(xiàn)上產(chǎn)生的干擾電壓/電流,或附近的導(dǎo)線(xiàn)等產(chǎn)生的靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)等的耦合是一樣的。
傳導(dǎo)噪聲與輻射噪聲的區(qū)別是什么?
答：當(dāng)我們開(kāi)空調(diào)時(shí),室內(nèi)的熒光燈會(huì)出現(xiàn)瞬間變暗的現(xiàn)象,這是因?yàn)榇罅侩娏髁飨蚩照{(diào),電壓急速下降,利用同一電源的熒光燈受到影響。還有使用吸塵器時(shí)收音機(jī)會(huì)出現(xiàn)啪啦啪啦的雜音。原因是吸塵器的馬達(dá)產(chǎn)生的微弱(低強(qiáng)度高頻的)電壓/電流變化通過(guò)電源線(xiàn)傳遞進(jìn)入收音機(jī),以雜音的形式放了出來(lái)。
這種由一個(gè)設(shè)備中產(chǎn)生的電壓/電流通過(guò)電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)傳導(dǎo)并影響其它設(shè)備時(shí),將這個(gè)電壓/電流的變化叫做“傳導(dǎo)干擾”。所以為對(duì)癥下藥,通常采用的方法是給發(fā)生源及被干擾設(shè)備的電源線(xiàn)等安裝濾波器,阻止傳導(dǎo)干擾的傳輸。另外,當(dāng)當(dāng)信號(hào)線(xiàn)上出現(xiàn)噪聲時(shí),將信號(hào)線(xiàn)改為光纖,也可隔斷傳輸途徑。
當(dāng)摩托車(chē)從附近道路通過(guò)時(shí),電視會(huì)出現(xiàn)雪花狀干擾。這是因?yàn)槟ν熊?chē)點(diǎn)火裝置的脈沖電流產(chǎn)生了電磁波,傳到空間再傳給附近的電視天線(xiàn)、電路上,產(chǎn)生了干擾電壓/電流。
象這種通過(guò)空間傳播,并對(duì)其它設(shè)備電路產(chǎn)生無(wú)用電壓/電流,造成危害的干擾稱(chēng)為“輻射干擾”。由于傳播途徑是空間,解決輻射干擾的方法除前面所講的濾波之外,還要對(duì)設(shè)備進(jìn)行屏蔽方能有效。
如上所述,干擾的根源是電壓/電流產(chǎn)生不必要的變化,這種變化通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)直接傳遞給其它設(shè)備,造成危害,這叫“傳導(dǎo)干擾”。另外,由于電壓電流變化而產(chǎn)生的電磁波通過(guò)空間傳播到其它設(shè)備中,在電路或?qū)Ь€(xiàn)上產(chǎn)生不必要的電壓/電流,并造成危害的干擾叫“輻射干擾”。但是,實(shí)際上并不能這樣簡(jiǎn)單區(qū)分。
以上我們介紹了電磁干擾的一些分類(lèi)，下面我們介紹如何來(lái)抑制電磁干擾
電磁干擾的定義，是指由外部噪聲和無(wú)用電磁波在接收中所造成的騷擾。一個(gè)系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)某一線(xiàn)路受電磁干擾程度可以表示為如下關(guān)系式：
N=G×C/I
G：噪聲源強(qiáng)度;
C：噪聲通過(guò)某種途徑傳到受干擾處的耦合因素;
I：受干擾電路的敏感程度。
G、C、I這三者構(gòu)成電磁干擾三要素。電磁干擾抑制技術(shù)就是圍繞這三要素所采取的各種措施，歸納起來(lái)就是三條：一、抑制電磁干擾源;二、切斷電磁干擾耦合途徑;三、降低電磁敏感裝置的敏感性。下面就這三方面分別作出介紹。
一、抑制干擾源
要想掏干擾源，首先必須確定何處是干擾源，在越靠近干擾源的地方采取措施，抑制效果越好。一般來(lái)說(shuō)，電流電壓劇變即di/dt或du/dt大的地方就是干擾源;具體來(lái)說(shuō)繼電器開(kāi)合、電容充電、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、集成電路開(kāi)關(guān)工作等都可能成為干擾源。另外，市電電源也并非理想的50Hz正弦波，而是充滿(mǎn)各種頻率噪聲，是個(gè)不可忽視的干擾源。抑制方法可以采用低噪聲電路、瞬態(tài)抑制電路、旋轉(zhuǎn)裝置抑制電路、穩(wěn)壓電路等;器件的選擇則盡可能采用低噪聲、高頻特性好、穩(wěn)定性高的電子元件。要注意，抑制電路中不適當(dāng)?shù)钠骷x擇可能會(huì)產(chǎn)生新的干擾源。
二、切斷電磁干擾耦合途徑
電磁干擾耦合途徑主要為傳導(dǎo)和輻射兩種。噪聲經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)直接耦合到電路中最常見(jiàn)的。抑制傳導(dǎo)干擾的主要措施是串接濾波器。濾波器分為低通(LPF)、高通(HPE)、帶通(BPF)、帶阻(BEF)四種，根據(jù)信號(hào)與噪聲頻率的差別選擇不同類(lèi)型的濾波器。如果噪聲頻率遠(yuǎn)高于信號(hào)頻率，常采用LC低通濾波器，這種濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，濾除噪聲效果也較好。但是對(duì)于軍用或TEMPEST技術(shù)以及要求較高的民用產(chǎn)品，則必須采用穿心式濾波器。
穿心式濾波器(Feed-thruFilters)也稱(chēng)為穿越式濾波器，電路結(jié)構(gòu)有C型、T型和LC型，其特點(diǎn)在于高頻特性?xún)?yōu)良，可工作在1GHz以上。這是其“同軸”性質(zhì)決定的，由于它無(wú)寄生電感，提高了自諧頻率。穿心式濾波器體積小、重量輕，允許電流大大，可廣泛用于各種不同場(chǎng)合。
對(duì)于通過(guò)供電電源線(xiàn)傳導(dǎo)的噪聲可以用電源濾波器來(lái)濾除。只符合VDE0871標(biāo)準(zhǔn)的電源濾波器在30K-30MHZ范圍內(nèi)插入損耗為20-100dB。電源濾波器不僅可以接在電網(wǎng)輸入處，也可接在噪聲源電路的輸出處，以抑制噪聲輸出，而且交直流兩用。電源濾波器端口分高阻和低阻兩端，應(yīng)根據(jù)輸入及負(fù)載阻抗不同來(lái)選擇正確的接法。連接的原則是依照阻抗最失配，即高阻輸入端接濾濾器阻端，低阻負(fù)載端接濾波器高阻端;反之亦然。
對(duì)傳輸線(xiàn)路及印刷電路板的布線(xiàn)設(shè)計(jì)，應(yīng)注意進(jìn)線(xiàn)與出線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)與電源線(xiàn)盡量分開(kāi)。對(duì)于重點(diǎn)線(xiàn)路可采用損耗線(xiàn)濾波器、三端子電容、磁環(huán)等器件進(jìn)行干擾抑制。對(duì)于接口端，國(guó)外有帶濾波的D型、圓形、方形連接器產(chǎn)品，這類(lèi)連接器是在普通連接器上加裝電容或電感，構(gòu)成濾波電路，其特點(diǎn)是不占用。PCB空間，不增加體積，這對(duì)于現(xiàn)代元件高密度設(shè)計(jì)極為重要。最近，國(guó)內(nèi)也有廠(chǎng)家生產(chǎn)，質(zhì)量不低于國(guó)外水平，可以替代進(jìn)口。
對(duì)于輻射干擾，主要措施是采用屏蔽技術(shù)和分層技術(shù)。屏蔽技術(shù)是一門(mén)科學(xué)，選擇適當(dāng)?shù)钠帘尾牧希谶m當(dāng)?shù)奈恢闷帘危瑢?duì)屏蔽效果至關(guān)重要。尤其是屏蔽室的設(shè)計(jì)。可供選擇的屏蔽材料種類(lèi)繁多，有各種金屬板、指形鈹銅合金簧片、銅絲網(wǎng)、編織銅帶、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電膠、導(dǎo)電玻璃等等。應(yīng)根據(jù)需要選擇。屏蔽室的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮門(mén)窗、通風(fēng)口、進(jìn)出線(xiàn)口的屏蔽與搭接。除靜電屏蔽外，還需考慮磁屏蔽以及接地和接大地技術(shù)。
三、降低電磁敏感裝置的敏感度
電磁敏感裝置的敏感是一柄雙刃劍;一方面人們希望接收裝置靈敏度高，以提高對(duì)信號(hào)的接收能力;另一方面，靈敏高受噪聲影響的可能性也就越大。因此，根據(jù)具體情況采用降額設(shè)計(jì)、避設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)鈍化、功能鈍化等方法是解決問(wèn)題的辦法。
綜上所述，對(duì)于電磁干擾的抑制方法很多，可以選擇一種或多種綜合運(yùn)用。但不論選擇什么方法都應(yīng)從設(shè)計(jì)之初就著手系統(tǒng)電磁兼容性的考慮，而不是亡羊補(bǔ)牢。
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