【導(dǎo)讀】電磁干擾現(xiàn)象人們早已司空見慣、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、計算機(jī)運(yùn)行錯誤、自控設(shè)備誤動作等，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。
電子線路與電磁干擾的分析
現(xiàn)代的電子產(chǎn)品，功能越來越強(qiáng)大，電子線路也越來越復(fù)雜，電磁干擾(EMI)和電磁兼容性問題變成了主要問題，電路設(shè)計對設(shè)計師的技術(shù)水平要求也越來越高。電磁干擾一般都分為兩種，傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡(luò)。因此對EMC問題的研究就是對干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備三者之間關(guān)系的研究。
美國聯(lián)邦通訊委員會在1990年、歐盟在1992提出了對商業(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)品的競爭優(yōu)勢。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、臺灣地區(qū)的BSMI認(rèn)證、中國的3C認(rèn)證等都是進(jìn)入這些市場的“通行證”。
電磁感應(yīng)與電磁干擾
很多人從事電子線路設(shè)計的時候，都是從認(rèn)識電子元器件開始，但從事電磁兼容設(shè)計實(shí)際上應(yīng)從電磁場理論開始，即從電磁感應(yīng)認(rèn)識開始。
一般電子線路都是由電阻器、電容器、電感器、變壓器、有源器件和導(dǎo)線組成，當(dāng)電路中有電壓存在的時候，在所有帶電的元器件周圍都會產(chǎn)生電場，當(dāng)電路中有電流流過的時候，在所有載流體的周圍都存在磁場。
電容器是電場最集中的元件，流過電容器的電流是位移電流，這個位移電流是由于電容器的兩個極板帶電，并在兩個極板之間產(chǎn)生電場，通過電場感應(yīng)，兩個極板會產(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有真正流過電容器，而只是對電容器進(jìn)行充放電。當(dāng)電容器的兩個極板張開時，可以把兩個極板看成是一組電場輻射天線，此時在兩個極板之間的電路都會對極板之間的電場產(chǎn)生感應(yīng)。在兩極板之間的電路不管是閉合回路，或者是開路，在與電場方向一致的導(dǎo)體中都會產(chǎn)生位移電流(當(dāng)電場的方向不斷改變時)，即電流一會兒向前跑，一會兒向后跑。
電場強(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)米長的導(dǎo)線，當(dāng)其流過數(shù)安培的電流時，其兩端電壓最多也只有零點(diǎn)幾伏，即幾十毫伏/米的電場強(qiáng)度，就可以在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的電流，可見電場作用效力之大，其干擾能力之強(qiáng)。
電感器和變壓器是磁場最集中的元件，流過變壓器次級線圈的電流是感應(yīng)電流，這個感應(yīng)電流是因?yàn)樽儔浩鞒跫壘€圈中有電流流過時，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，都可看成是一個變壓器的感應(yīng)線圈，當(dāng)電感器和變壓器漏感產(chǎn)生的磁力線穿過某個電路時，此電路作為變壓器的“次級線圈”就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。兩個相鄰回路的電路，也同樣可以把其中的一個回路看成是變壓器的“初級線圈”，而另一個回路可以看成是變壓器的“次級線圈”，因此兩個相鄰回路同樣產(chǎn)生電磁感應(yīng)，即互相產(chǎn)生干擾。
在電子線路中只要有電場或磁場存在，就會產(chǎn)生電磁干擾。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，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
具體到“電磁干擾”,可以按照下面所列七類進(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
而且可以在每一類中進(jìn)一步分類。根據(jù)發(fā)生源可將干擾細(xì)分如圖1～圖4。
圖1 電磁干擾源類別
圖2自然干擾源類別
圖3人為干擾源類別
圖4 內(nèi)部干擾源類別
從受干擾方面來看,外來噪聲是外界干擾,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如圖5所示。
圖5 按照干擾傳輸路徑分類
干擾傳播的途徑如圖6所示。有通過電源線、信號線、地線、大地等途徑傳播的“傳導(dǎo)干擾”,也有通過空間直接傳播的“空間干擾”。
這些噪聲并不獨(dú)立存在,在傳播過程中又會出現(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,瞬時干擾,隨機(jī)干擾,跳動干擾。
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,開關(guān)的震顫干擾,雷電涌,尖峰脈沖干擾,噴射環(huán)電弧,瞬時浪涌。
將來可能會將下面這些項(xiàng)目歸入到交流干擾內(nèi)：瞬時停電,瞬時下降,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)。
簡而言之,EMC是“不發(fā)干擾,不受干擾”。現(xiàn)在國內(nèi)外都在研究開發(fā)EMC技術(shù),并應(yīng)用于電氣電子設(shè)備的制造中。
問： 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、電流通過電源線或信號線的傳導(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
化通過導(dǎo)線傳輸時有二種形態(tài),我們將此稱做“共模”和“差模”。設(shè)備的電源線、電話等的通信線、與其它設(shè)備或外圍設(shè)備相互交換的通訊線路,至少有兩根導(dǎo)線,這兩根導(dǎo)線作為往返線路輸送電力或信號。但在這兩根導(dǎo)線之外通常還有第三導(dǎo)體,這就是“地線”。干擾電壓和電流分為兩種：一種是兩根導(dǎo)線分別做為往返線路傳輸;另一種是兩根導(dǎo)線做去路,地線做返回路傳輸。前者叫“差模”,后者叫“共模”。
如圖7所示,電源、信號源及其負(fù)載通過兩根導(dǎo)線連接。流過一邊導(dǎo)線的電流與另一邊導(dǎo)線的電流幅度相同,方向相反。但是干擾源并不一定連接在兩根導(dǎo)線之間。由于噪聲源有各種形態(tài),所以也有在兩根導(dǎo)線與地線之間的電壓。其結(jié)果是流過兩根導(dǎo)線的干擾電流幅度不同。
圖7 差模干擾
請看圖8,在加在兩線之間的干擾電壓的驅(qū)動下,兩根導(dǎo)線上有幅度相同但方向相反的電流(差模電流)。但如果同時在兩根導(dǎo)線與地線之間加上干擾電壓,兩根線就會流過幅度和方向都相同的電流,這些電流(共模)合在一起經(jīng)地線流向相反方向。我們來考察流過兩根導(dǎo)線的電流。一根導(dǎo)線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)線的電流具有不同的幅度。
我們再來考慮一下對地線的電壓。如圖8,對于差模電壓,一根導(dǎo)線上是(線間電壓)/2,而另一根導(dǎo)線上是 -(線間電壓)/2,因而是平衡的。但共模電壓兩根導(dǎo)線上相同。所以當(dāng)兩種模式同時存在時,兩根導(dǎo)線對地線的電壓也不同。
圖8 對地電壓/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)線對地線電壓或電流不同時,可通過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
通過被連接的電路,兩根導(dǎo)線終端與地線之間存在著阻抗。這兩條線的阻抗一旦不平衡,在終端就會出現(xiàn)模式的相互轉(zhuǎn)換。即通過導(dǎo)線傳遞的一種模式在終端反射時,其中一部分會變換成另一種模式。
另外,通常兩根導(dǎo)線之間的間隔較小,導(dǎo)線與地線導(dǎo)體之間距離較大。所以若考慮從導(dǎo)線輻射的干擾,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,可以說因外部電磁場干擾在導(dǎo)線上產(chǎn)生的干擾電壓/電流,或附近的導(dǎo)線等產(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)我們開空調(diào)時,室內(nèi)的熒光燈會出現(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。還有使用吸塵器時收音機(jī)會出現(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/電流變化通過電源線傳遞進(jìn)入收音機(jī),以雜音的形式放了出來。
這種由一個設(shè)備中產(chǎn)生的電壓/電流通過電源線、信號線傳導(dǎo)并影響其它設(shè)備時,將這個電壓/電流的變化叫做“傳導(dǎo)干擾”。所以為對癥下藥,通常采用的方法是給發(fā)生源及被干擾設(shè)備的電源線等安裝濾波器,阻止傳導(dǎo)干擾的傳輸。另外,當(dāng)當(dāng)信號線上出現(xiàn)噪聲時,將信號線改為光纖,也可隔斷傳輸途徑。
當(dāng)摩托車從附近道路通過時,電視會出現(xiàn)雪花狀干擾。這是因?yàn)槟ν熊圏c(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、電路上,產(chǎn)生了干擾電壓/電流。
象這種通過空間傳播,并對其它設(shè)備電路產(chǎn)生無用電壓/電流,造成危害的干擾稱為“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,這種變化通過導(dǎo)線直接傳遞給其它設(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)生的電磁波通過空間傳播到其它設(shè)備中,在電路或?qū)Ь€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)際上并不能這樣簡單區(qū)分。
以上我們介紹了電磁干擾的一些分類，下面我們介紹如何來抑制電磁干擾
電磁干擾的定義，是指由外部噪聲和無用電磁波在接收中所造成的騷擾。一個系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)某一線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。一般來說，電流電壓劇變即di/dt或du/dt大的地方就是干擾源;具體來說繼電器開合、電容充電、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、集成電路開關(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，而是充滿各種頻率噪聲，是個不可忽視的干擾源。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)線直接耦合到電路中最常見的。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)信號與噪聲頻率的差別選擇不同類型的濾波器。如果噪聲頻率遠(yuǎn)高于信號頻率，常采用LC低通濾波器，這種濾波器結(jié)構(gòu)簡單，濾除噪聲效果也較好。但是對于軍用或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)在于高頻特性優(yōu)良，可工作在1GHz以上。這是其“同軸”性質(zhì)決定的，由于它無寄生電感，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合。
對于通過供電電源線傳導(dǎo)的噪聲可以用電源濾波器來濾除。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。
對傳輸線路及印刷電路板的布線設(shè)計，應(yīng)注意進(jìn)線與出線、信號線與電源線盡量分開。對于重點(diǎn)線路可采用損耗線濾波器、三端子電容、磁環(huán)等器件進(jìn)行干擾抑制。對于接口端，國外有帶濾波的D型、圓形、方形連接器產(chǎn)品，這類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，這對于現(xiàn)代元件高密度設(shè)計極為重要。最近，國內(nèi)也有廠家生產(chǎn)，質(zhì)量不低于國外水平，可以替代進(jìn)口。
對于輻射干擾，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ζ帘涡Ч陵P(guān)重要。尤其是屏蔽室的設(shè)計。可供選擇的屏蔽材料種類繁多，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)計應(yīng)充分考慮門窗、通風(fēng)口、進(jìn)出線口的屏蔽與搭接。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，以提高對信號的接收能力;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、避設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)鈍化、功能鈍化等方法是解決問題的辦法。
綜上所述，對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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