如何消除電子設備電路中的電磁幹擾

2021-01-09 電子發燒友

隨著電子產品集成度、處理器速度、開關速率和接口速率的不斷提升，電子產品ESD/EMI/EMC問題日益突出，尤其是當手持電子設備向輕薄小巧方向發展而且產品功能不斷增加時，它們的輸入/輸出埠也隨之增多，導致靜電放電進入系統並幹擾或損壞集成電路，電路保護是最容易出現問題的部分，也是容易被忽略的問題。

在通信、消費、軍工、航空航天等領域，ESD往往是引起電路失效的罪魁禍首，而過流過壓保護器件選擇、傳導輻射電磁幹擾消除、EMC測試環境等問題成為工程師在設計時的難點，這些問題該怎麼解決呢？

一、電路保護從元器件選型開始

電路保護元器件通常包括過壓保護器件和過流保護器件兩種，工程師需要針對各種元器件的特點和不同的應用類型進行選擇。電子產品中，印製電路板的密度不斷提高，半導體元件和集成電路的工作電壓不斷降低，生產商就運用表面貼裝技術、片式多層陶瓷技術、陣列技術等新技術開發小尺寸、滿足小電壓大電流電路保護需求的產品；可以預見，未來電子電力技術不斷發展，國內外電路保護元器件生產商將繼續大力研發新產品、新技術，為各個應用領域提供合適的、安全的電路保護元器件。

選擇適當的電路保護器件是實現高效、可靠電路保護設計的關鍵，涉及到電路保護器件的選型，我們就必須要知道各電路保護器件的作用。在選擇電路保護器件的時候我們要知道保護電路不應幹擾受保護電路的正常行為，此外，還必須防止任何電壓瞬態造成整個系統的重複性或非重複性的不穩定行為，進行多次模擬測試，從而實現電路防護方案的可靠性和實用性。

二、電路保護器件的選擇技巧

面對ESD、過壓、浪湧、過熱等現象帶來的巨大危害性，最新的電路保護器件除了需要關注伏安特性、保護級別等因素之外，還要考慮其他很多問題。比如電子設備越來越輕薄，為了符合尺寸的限制並在更小的佔位面積中提供電路保護，保護器件製造商需要開發出尺寸更小的元器件，這就需要廠商不斷提高元器件的能量密度，當電子設備接口速率不斷提升，為保證信號完整性就必須考慮保護器件電容的大小，保護方案必須緊隨接口發展的趨勢，確保接口的可靠性，同時還得保證保護元器件的耐衝擊次數、抗震、防潮等因素。

三、過流、過壓保護器件的特性

保護器件雖然種類繁多，從功能上講可以分為過流保護和過壓保護。最重要的過流保護器件是熔斷器，也叫保險絲。它一般串聯在電路中，要求其電阻要小（功耗小），當電路正常工作時，它只相當於一根導線，能夠長時間穩定的導通電路，由於電源或外部幹擾而發生電流波動時，也應能承受一定範圍的過載，只有當電路中出現較大的過載電流(故障或短路)時，熔斷器才會動作，通過斷開電流來保護電路的安全，以避免產品燒毀的危險。

在熔斷器分斷電路的過程中,由於電路電壓的存在,在熔體斷開的瞬間會發生電弧,高質量的熔斷器應該儘量避免這種飛弧;在分斷電路後,熔斷器應能耐受加在兩端的電路電壓.熔斷器受脈衝損傷會逐步降低承受脈衝的能力,選用時需要考慮必要的安全餘量;這個安全餘量是指熔斷器的總熔斷(動作)時間，它是預飛弧時間和飛弧時間之和。

所以在選擇的時候需要留意它的熔斷特性和額定電流這個基本條件；另外安裝時要考慮熔斷器周邊的環境，熔斷器只有達到本身的熔化熱能值的時候才會熔斷，如果是在環境較冷的狀況下，它的熔斷時間會變化，這是使用時必須留意的。

四、EMC測試要點

電磁兼容性（EMC）是指設備或系統在電磁環境中性能不降級的狀態。EMC，一方面要求系統內沒有嚴重的幹擾源即設備在正常運行過程中對所在環境產生的電磁幹擾不能超過一定的限值，另一方面要求設備或系統自身有較好的抗電磁幹擾性即器具對所在環境中存在的電磁幹擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

EMC包括EMI(電磁幹擾)及EMS(電磁耐受性)兩部份：

1、EMI電磁幹擾，乃為機器本身在執行應有功能的過程中所產生不利於其它系統的電磁噪聲。

2、EMS乃指機器在執行應有功能的過程中不受周圍電磁環境影響的能力。

五、如何消除電磁幹擾？

電磁幹擾，是指電子設備自身工作過程中，產生的電磁波，對外發射，從而對設備其它部分或外部其它設備造成幹擾。系統要發生電磁兼容性問題即電磁幹擾,必須具備三個因素,就是電磁幹擾源、耦合途徑、敏感設備。所以,在解決電磁幹擾問題時,要從這三個因素人手,對症下藥,消除其中某一個因素,就能解決電磁兼容問題。常用的有效的方法有:接地技術、屏蔽技術、濾波技術。

1、接地技術

接地技術可以分為工作接地、防雷接地和保護接地。

工作接地就是在低壓交流電網中就是將三相電源中的中性點直接接地。

在通信局（站）中，通常有兩種防雷接地:一種是為保護建築物或天線不受雷擊而專設的避雷針防雷接地裝置，這是由建築部門設計安裝的，另一種是為了防止雷擊過電壓對通信設備或電源設備的破壞需安裝避雷器而埋設的防雷接地裝置。

保護接地就是將受電設備在正常情況下與帶電部分絕緣的金屬外殼部分與接地裝置作良好的電氣連接。

2、屏蔽技術

電路中的電磁屏蔽技術主要是在共同的電磁環境中進行生存，通過運用電磁幹擾抑制技術防止在實際工作中收到其他因素的幹擾，導致技術出現應用不合理現象。

屏蔽技術主要是運用完整的金屬屏蔽體將帶點導體包圍起來，提高屏蔽體的感應能力，確保外側能夠出現與帶電導體相同的電荷，如果外側的電荷流入到大地，外側也不會出現電漏，而金屬屏蔽體導電性能越好，代表靜電的屏蔽效果越好，屏蔽技術需要通過接地起到屏蔽作用。

3、濾波技術

濾波器是射頻系統中必不可少的關鍵部件之一，主要是用來作頻率選擇，讓需要的頻率信號通過而反射不需要的幹擾頻率信號。

濾波技術主要分為信號濾波和EMI濾波：

信號濾波是已知輸入和輸出阻抗時，在衰減帶外幹擾的同時，保證通帶內具有極低的插入損耗。

EMI濾波是在期望的工作頻帶寬的範圍內，端接阻抗的變化範圍會增大，其加載電流影響的插入損耗是由對外界幹擾信號的抑制能力決定的。

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