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”。

 

 

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。

 

 

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”?，F(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。

 

 

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。

 

 

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。

 

 

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。

 

 

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。

 

 

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?，對屏蔽效果至關(guān)重要。尤其是屏蔽室的設(shè)計?？晒┻x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)。

 

 

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。


【推薦閱讀】