如何成為出色的模擬工程師:電磁幹擾(EMI)

所謂的電磁幹擾，廣義來說，一切進入信道或通信系統的非有用信號，均稱之為電磁幹擾。電磁幹擾已經深入到我們日常的生活。例如，觀看電視時，附近有人使用電鑽、電吹風等電器，會使電視畫面出現雪花點，所聲器裡發出剌耳的噪聲……等等。這類現象人們早已司空見慣、習以為常了，但是電磁幹擾的危害卻遠不止如此。事實上，電磁幹擾已使民航系統失效、通信不暢、計算機運行錯誤、自控設備誤動作等，甚至危及人身安全。因此如何有效的抑制電磁幹擾成為模擬工程師必須具備和考慮的因素，在這裡小編為大家詳述了什麼是電磁幹擾，如何有效的抑制電磁幹擾。

電子線路與電磁幹擾的分析

現代的電子產品，功能越來越強大，電子線路也越來越複雜，電磁幹擾(EMI)和電磁兼容性問題變成了主要問題，電路設計對設計師的技術水平要求也越來越高。電磁幹擾一般都分為兩種，傳導幹擾和輻射幹擾。傳導幹擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合(幹擾)到另一個電網絡。輻射幹擾是指幹擾源通過空間把其信號耦合(幹擾)到另一個電網絡。因此對EMC問題的研究就是對幹擾源、耦合途徑、敏感設備三者之間關係的研究。

美國聯邦通訊委員會在1990年、歐盟在1992提出了對商業數碼產品的有關規章，這些規章要求各個公司確保他們的產品符合嚴格的磁化係數和發射準則。符合這些規章的產品稱為具有電磁兼容性。

目前全球各地區基本都設置了EMC相應的市場準入認證，用以保護本地區的電磁環境和本土產品的競爭優勢。如：北美的FCC、NEBC認證、歐盟的CE認證、日本的VCCEI認證、澳洲的C-tick人證、臺灣地區的BSMI認證、中國的3C認證等都是進入這些市場的「通行證」。

電磁感應與電磁幹擾

很多人從事電子線路設計的時候，都是從認識電子元器件開始，但從事電磁兼容設計實際上應從電磁場理論開始，即從電磁感應認識開始。

一般電子線路都是由電阻器、電容器、電感器、變壓器、有源器件和導線組成，當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生電場，當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，這個位移電流是由於電容器的兩個極板帶電，並在兩個極板之間產生電場，通過電場感應，兩個極板會產生充放電，形成位移電流。實際上電容器迴路中的電流並沒有真正流過電容器，而只是對電容器進行充放電。當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生感應。在兩極板之間的電路不管是閉合迴路，或者是開路，在與電場方向一致的導體中都會產生位移電流(當電場的方向不斷改變時)，即電流一會兒向前跑，一會兒向後跑。

電場強度的定義是電位梯度，即兩點之間的電位差與距離之比。一根數米長的導線，當其流過數安培的電流時，其兩端電壓最多也只有零點幾伏，即幾十毫伏/米的電場強度，就可以在導體內產生數安培的電流，可見電場作用效力之大，其幹擾能力之強。

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電流，這個感應電流是因為變壓器初級線圈中有電流流過時，產生磁感應而產生的。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線圈，當電感器和變壓器漏感產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」就會產生感應電流。兩個相鄰迴路的電路，也同樣可以把其中的一個迴路看成是變壓器的「初級線圈」，而另一個迴路可以看成是變壓器的「次級線圈」，因此兩個相鄰迴路同樣產生電磁感應，即互相產生幹擾。

在電子線路中只要有電場或磁場存在，就會產生電磁幹擾。在高速PCB及系統設計中，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幹擾源，能發射電磁波並影響其它系統或本系統內其他子系統的正常工作。

電磁幹擾的分類

具體到「電磁幹擾」,可以按照下面所列七類進行劃分：

按照發生源劃分

按照傳播路徑劃分

按照輻射幹擾的產生原因劃分

按照不同設備的工作原理劃分

按照發生的頻率劃分

按照頻率範圍劃分

不同的交流電源

而且可以在每一類中進一步分類。根據發生源可將幹擾細分如圖1～圖4。

圖1 電磁幹擾源類別

圖2自然幹擾源類別

圖3人為幹擾源類別

圖4 內部幹擾源類別

從受幹擾方面來看,外來噪聲是外界幹擾,內部噪聲是機內噪聲。

除此之外,噪聲按傳遞途徑分類如圖5所示。

圖5 按照幹擾傳輸路徑分類

幹擾傳播的途徑如圖6所示。有通過電源線、信號線、地線、大地等途徑傳播的「傳導幹擾」,也有通過空間直接傳播的「空間幹擾」。

這些噪聲並不獨立存在,在傳播過程中又會出現新的複雜噪聲。

圖6 幹擾傳播路徑

造成數字電路工作不正常的幹擾可分為：①電源幹擾,②反射,③振鈴(LC共振)：上衝、下衝,④狀態翻轉幹擾,⑤串擾幹擾(相互幹擾、串音),⑥直流電壓跌落。

造成開關電源質量下降的幹擾分為：①出現在輸出入端子上的幹擾(電流交流聲,尖峰脈衝噪聲,回流噪聲);②影響內部工作的幹擾(開關幹擾,振蕩,再生噪聲)。

按發生的頻率分為：突發乾擾,脈衝幹擾,周期性幹擾,瞬時幹擾,隨機幹擾,跳動幹擾。

造成交流電源質量下降的幹擾分為：高次諧波幹擾,保護繼電器,開關的震顫幹擾,雷電湧,尖峰脈衝幹擾,噴射環電弧,瞬時浪湧。

將來可能會將下面這些項目歸入到交流幹擾內：瞬時停電,瞬時下降,頻率變化,電壓變化,高次諧波失真。

另外還幹擾按頻率分為：低頻幹擾,高頻幹擾。

如上所述,幹擾可以分成很多類別,這些幹擾既產生於電氣電子設備,又幹擾電氣電子設備,造成設備的故障和停用,帶來經濟和人員傷害。為了使各種設備能夠互不幹擾,正常工作,應運而生了EMC技術。

簡而言之,EMC是「不發乾擾,不受幹擾」。現在國內外都在研究開發EMC技術,並應用於電氣電子設備的製造中。

問： 什麼是共模幹擾和差模幹擾?為什麼有二種?

答： 從幹擾源發出的幹擾洩漏到外部的途徑、或者是幹擾侵入到受幹擾的設備中的途徑,有電壓、電流通過電源線或信號線的傳導傳輸和靠電磁波在空間輻射傳輸二種途徑。

電壓電流的變

化通過導線傳輸時有二種形態,我們將此稱做「共模」和「差模」。設備的電源線、電話等的通信線、與其它設備或外圍設備相互交換的通訊線路,至少有兩根導線,這兩根導線作為往返線路輸送電力或信號。但在這兩根導線之外通常還有第三導體,這就是「地線」。幹擾電壓和電流分為兩種：一種是兩根導線分別做為往返線路傳輸;另一種是兩根導線做去路,地線做返迴路傳輸。前者叫「差模」,後者叫「共模」。

如圖1所示,電源、信號源及其負載通過兩根導線連接。流過一邊導線的電流與另一邊導線的電流幅度相同,方向相反。但是幹擾源並不一定連接在兩根導線之間。由於噪聲源有各種形態,所以也有在兩根導線與地線之間的電壓。其結果是流過兩根導線的幹擾電流幅度不同。

圖1 差模幹擾

請看圖2,在加在兩線之間的幹擾電壓的驅動下,兩根導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線與地線之間加上幹擾電壓,兩根線就會流過幅度和方向都相同的電流,這些電流(共模)合在一起經地線流向相反方向。我們來考察流過兩根導線的電流。一根導線上的差模幹擾電流與共模幹擾同向,因此相加;另一根導線上的差模噪聲與共模噪聲反向,因此相減。因此,流經兩根導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2,對於差模電壓,一根導線上是(線間電壓)/2,而另一根導線上是 -(線間電壓)/2,因而是平衡的。但共模電壓兩根導線上相同。所以當兩種模式同時存在時,兩根導線對地線的電壓也不同。

圖2 對地電壓/電流與差模、共模電壓/電流之間的關係

因此,當兩根導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,在終端就會出現模式的相互轉換。即通過導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,通常兩根導線之間的間隔較小,導線與地線導體之間距離較大。所以若考慮從導線輻射的幹擾,與差模電流產生的輻射相比,共模電流輻射的強度更大。

與此相反,可以說因外部電磁場幹擾在導線上產生的幹擾電壓/電流,或附近的導線等產生的靜電感應、電磁感應等的耦合是一樣的。

傳導噪聲與輻射噪聲的區別是什麼?

答：當我們開空調時,室內的螢光燈會出現瞬間變暗的現象,這是因為大量電流流向空調,電壓急速下降,利用同一電源的螢光燈受到影響。還有使用吸塵器時收音機會出現啪啦啪啦的雜音。原因是吸塵器的馬達產生的微弱(低強度高頻的)電壓/電流變化通過電源線傳遞進入收音機,以雜音的形式放了出來。

這種由一個設備中產生的電壓/電流通過電源線、信號線傳導並影響其它設備時,將這個電壓/電流的變化叫做「傳導幹擾」。所以為對症下藥,通常採用的方法是給發生源及被幹擾設備的電源線等安裝濾波器,阻止傳導幹擾的傳輸。另外,噹噹信號線上出現噪聲時,將信號線改為光纖,也可隔斷傳輸途徑。

當摩託車從附近道路通過時,電視會出現雪花狀幹擾。這是因為摩託車點火裝置的脈衝電流產生了電磁波,傳到空間再傳給附近的電視天線、電路上,產生了幹擾電壓/電流。

象這種通過空間傳播,並對其它設備電路產生無用電壓/電流,造成危害的幹擾稱為「輻射幹擾」。由於傳播途徑是空間,解決輻射幹擾的方法除前面所講的濾波之外,還要對設備進行屏蔽方能有效。

如上所述,幹擾的根源是電壓/電流產生不必要的變化,這種變化通過導線直接傳遞給其它設備,造成危害,這叫「傳導幹擾」。另外,由於電壓電流變化而產生的電磁波通過空間傳播到其它設備中,在電路或導線上產生不必要的電壓/電流,並造成危害的幹擾叫「輻射幹擾」。但是,實際上並不能這樣簡單區分。

以上我們介紹了電磁幹擾的一些分類，下面我們介紹如何來抑制電磁幹擾

電磁幹擾的定義，是指由外部噪聲和無用電磁波在接收中所造成的騷擾。一個系統或系統內某一線路受電磁幹擾程度可以表示為如下關係式：

N=G×C/I

G：噪聲源強度;

C：噪聲通過某種途徑傳到受幹擾處的耦合因素;

I：受幹擾電路的敏感程度。

G、C、I這三者構成電磁幹擾三要素。電磁幹擾抑制技術就是圍繞這三要素所採取的各種措施，歸納起來就是三條：一、抑制電磁幹擾源;二、切斷電磁幹擾耦合途徑;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、抑制幹擾源

要想掏幹擾源，首先必須確定何處是幹擾源，在越靠近幹擾源的地方採取措施，抑制效果越好。一般來說，電流電壓劇變即di/dt或du/dt大的地方就是幹擾源;具體來說繼電器開合、電容充電、電機運轉、集成電路開關工作等都可能成為幹擾源。另外，市電電源也並非理想的50Hz正弦波，而是充滿各種頻率噪聲，是個不可忽視的幹擾源。抑制方法可以採用低噪聲電路、瞬態抑制電路、旋轉裝置抑制電路、穩壓電路等;器件的選擇則儘可能採用低噪聲、高頻特性好、穩定性高的電子元件。要注意，抑制電路中不適當的器件選擇可能會產生新的幹擾源。

二、切斷電磁幹擾耦合途徑

電磁幹擾耦合途徑主要為傳導和輻射兩種。噪聲經導線直接耦合到電路中最常見的。抑制傳導幹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。如果噪聲頻率遠高於信號頻率，常採用LC低通濾波器，這種濾波器結構簡單，濾除噪聲效果也較好。但是對於軍用或TEMPEST技術以及要求較高的民用產品，則必須採用穿心式濾波器。

穿心式濾波器(Feed-thruFilters)也稱為穿越式濾波器，電路結構有C型、T型和LC型，其特點在於高頻特性優良，可工作在1GHz以上。這是其「同軸」性質決定的，由於它無寄生電感，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，可廣泛用於各種不同場合。

對於通過供電電源線傳導的噪聲可以用電源濾波器來濾除。只符合VDE0871標準的電源濾波器在30K-30MHZ範圍內插入損耗為20-100dB。電源濾波器不僅可以接在電網輸入處，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。電源濾波器埠分高阻和低阻兩端，應根據輸入及負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計，應注意進線與出線、信號線與電源線儘量分開。對於重點線路可採用損耗線濾波器、三端子電容、磁環等器件進行幹擾抑制。對於接口端，國外有帶濾波的D型、圓形、方形連接器產品，這類連接器是在普通連接器上加裝電容或電感，構成濾波電路，其特點是不佔用。PCB空間，不增加體積，這對於現代元件高密度設計極為重要。最近，國內也有廠家生產，質量不低於國外水平，可以替代進口。

對於輻射幹擾，主要措施是採用屏蔽技術和分層技術。屏蔽技術是一門科學，選擇適當的屏蔽材料，在適當的位置屏蔽，對屏蔽效果至關重要。尤其是屏蔽室的設計。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、編織銅帶、導電橡膠、導電膠、導電玻璃等等。應根據需要選擇。屏蔽室的設計應充分考慮門窗、通風口、進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。

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，根據具體情況採用降額設計、避設計、網絡鈍化、功能鈍化等方法是解決問題的辦法。

綜上所述，對於電磁幹擾的抑制方法很多，可以選擇一種或多種綜合運用。但不論選擇什麼方法都應從設計之初就著手系統電磁兼容性的考慮，而不是亡羊補牢。

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