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出色模拟工程师必备系列(一):电磁干扰(EMI)

所谓的电磁干扰,广义来说,一切进入信道或通信系统的非有用信号,均称之为电磁干扰。电磁干扰已经深入到我们日常的生活。例如,观看电视时,附近有人使用电钻、电吹风等电器,会使电视画面出现雪花点,所声器里发出剌耳的噪声……等等。这类现象人们早已司空见惯、习以为常了,但是电磁干扰的危害却远不止如此。事实上,电磁干扰已使民航系统失效、通信不畅、计算机运行错误、自控设备误动作等,甚至危及人身安全。因此如何有效的抑制电磁干扰成为模拟工程师必须具备和考虑的因素,在这里为大家详述了什么是电磁干扰,如何有效的抑制电磁干扰。 电子线路与电磁干扰的分析   现代的电子产品,功能越来越强大,电子线路也越来越复杂,电磁干扰(EMI)和电磁兼容性问题变成了主要问题,电路设计对设计师的技术水平要求也越来越高。电磁干扰一般都分为两种,传导干扰和辐射干扰。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络。因此对EMC问题的研究就是对干扰源、耦合途径、敏感设备三者之间关系的研究。   美国联邦通讯委员会在1990年、欧盟在1992提出了对商业数码产品的有关规章,这些规章要求各个公司确保他们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性。   目前全球各地区基本都设置了EMC相应的市场准入认证,用以保护本地区的电磁环境和本土产品的竞争优势。如:北美的FCC、NEBC认证、欧盟的CE认证、日本的VCCEI认证、澳洲的C-tick人证、台湾地区的BSMI认证、中国的3C认证等都是进入这些市场的“通行证”。 电磁感应与电磁干扰   很多人从事电子线路设计的时候,都是从认识电子元器件开始,但从事电磁兼容设计实际上应从电磁场理论开始,即从电磁感应认识开始。   一般电子线路都是由电阻器、电容器、电感器、变压器、有源器件和导线组成,当电路中有电压存在的时候,在所有带电的元器件周围都会产生电场,当电路中有电流流过的时候,在所有载流体的周围都存在磁场。   电容器是电场最集中的元件,流过电容器的电流是位移电流,这个位移电流是由于电容器的两个极板带电,并在两个极板之间产生电场,通过电场感应,两个极板会产生充放电,形成位移电流。实际上电容器回路中的电流并没有真正流过电容器,而只是对电容器进行充放电。当电容器的两个极板张开时,可以把两个极板看成是一组电场辐射天线,此时在两个极板之间的电路都会对极板之间的电场产生感应。在两极板之间的电路不管是闭合回路,或者是开路,在与电场方向一致的导体中都会产生位移电流(当电场的方向不断改变时),即电流一会儿向前跑,一会儿向后跑。   电场强度的定义是电位梯度,即两点之间的电位差与距离之比。一根数米长的导线,当其流过数安培的电流时,其两端电压最多也只有零点几伏,即几十毫伏/米的电场强度,就可以在导体内产生数安培的电流,可见电场作用效力之大,其干扰能力之强。

图1*

  电感器和变压器是磁场最集中的元件,流过变压器次级线圈的电流是感应电流,这个感应电流是因为变压器初级线圈中有电流流过时,产生磁感应而产生的。在电感器和变压器周边的电路,都可看成是一个变压器的感应线圈,当电感器和变压器漏感产生的磁力线穿过某个电路时,此电路作为变压器的“次级线圈”就会产生感应电流。两个相邻回路的电路,也同样可以把其中的一个回路看成是变压器的“初级线圈”,而另一个回路可以看成是变压器的“次级线圈”,因此两个相邻回路同样产生电磁感应,即互相产生干扰。   在电子线路中只要有电场或磁场存在,就会产生电磁干扰。在高速PCB及系统设计中,高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源,能发射电磁波并影响其它系统或本系统内其他子系统的正常工作。 电磁干扰的分类   具体到“电磁干扰”,可以按照下面所列七类进行划分:   按照发生源划分   按照传播路径划分   按照辐射干扰的产生原因划分   按照不同设备的工作原理划分   按照发生的频率划分   按照频率范围划分   不同的交流电源   而且可以在每一类中进一步分类。根据发生源可将干扰细分如图1~图4。   

图1 电磁干扰源类别*
图1 电磁干扰源类别

图2自然干扰源类别*
图2自然干扰源类别

图3人为干扰源类别*
图3人为干扰源类别

图4 内部干扰源类别*
图4 内部干扰源类别

  从受干扰方面来看,外来噪声是外界干扰,内部噪声是机内噪声。   除此之外,噪声按传递途径分类如图5所示。

图5 按照干扰传输路径分类*
图5 按照干扰传输路径分类

  干扰传播的途径如图6所示。有通过电源线、信号线、地线、大地等途径传播的“传导干扰”,也有通过空间直接传播的“空间干扰”。   这些噪声并不独立存在,在传播过程中又会出现新的复杂噪声。

图6 干扰传播路径*
图6 干扰传播路径

  造成数字电路工作不正常的干扰可分为:①电源干扰,②反射,③振铃(LC共振):上冲、下冲,④状态翻转干扰,⑤串扰干扰(相互干扰、串音),⑥直流电压跌落。   造成开关电源质量下降的干扰分为:①出现在输出入端子上的干扰(电流交流声,尖峰脉冲噪声,回流噪声);②影响内部工作的干扰(开关干扰,振荡,再生噪声)。   按发生的频率分为:突发干扰,脉冲干扰,周期性干扰,瞬时干扰,随机干扰,跳动干扰。   造成交流电源质量下降的干扰分为:高次谐波干扰,保护继电器,开关的震颤干扰,雷电涌,尖峰脉冲干扰,喷射环电弧,瞬时浪涌。   将来可能会将下面这些项目归入到交流干扰内:瞬时停电,瞬时下降,频率变化,电压变化,高次谐波失真。   另外还干扰按频率分为:低频干扰,高频干扰。   如上所述,干扰可以分成很多类别,这些干扰既产生于电气电子设备,又干扰电气电子设备,造成设备的故障和停用,带来经济和人员伤害。为了使各种设备能够互不干扰,正常工作,应运而生了EMC技术。   简而言之,EMC是“不发干扰,不受干扰”。现在国内外都在研究开发EMC技术,并应用于电气电子设备的制造中。 问: 什么是共模干扰和差模干扰?为什么有二种?   答: 从干扰源发出的干扰泄漏到外部的途径、或者是干扰侵入到受干扰的设备中的途径,有电压、电流通过电源线或信号线的传导传输和靠电磁波在空间辐射传输二种途径。 电压电流的变   化通过导线传输时有二种形态,我们将此称做“共模”和“差模”。设备的电源线、电话等的通信线、与其它设备或外围设备相互交换的通讯线路,至少有两根导线,这两根导线作为往返线路输送电力或信号。但在这两根导线之外通常还有第三导体,这就是“地线”。干扰电压和电流分为两种:一种是两根导线分别做为往返线路传输;另一种是两根导线做去路,地线做返回路传输。前者叫“差模”,后者叫“共模”。   如图7所示,电源、信号源及其负载通过两根导线连接。流过一边导线的电流与另一边导线的电流幅度相同,方向相反。但是干扰源并不一定连接在两根导线之间。由于噪声源有各种形态,所以也有在两根导线与地线之间的电压。其结果是流过两根导线的干扰电流幅度不同。

图7 差模干扰*
图7 差模干扰

  请看图8,在加在两线之间的干扰电压的驱动下,两根导线上有幅度相同但方向相反的电流(差模电流)。但如果同时在两根导线与地线之间加上干扰电压,两根线就会流过幅度和方向都相同的电流,这些电流(共模)合在一起经地线流向相反方向。我们来考察流过两根导线的电流。一根导线上的差模干扰电流与共模干扰同向,因此相加;另一根导线上的差模噪声与共模噪声反向,因此相减。因此,流经两根导线的电流具有不同的幅度。   我们再来考虑一下对地线的电压。如图8,对于差模电压,一根导线上是(线间电压)/2,而另一根导线上是 -(线间电压)/2,因而是平衡的。但共模电压两根导线上相同。所以当两种模式同时存在时,两根导线对地线的电压也不同。

图8 对地电压/电流与差模、共模电压/电流之间的关系*
图8 对地电压/电流与差模、共模电压/电流之间的关系

  因此,当两根导线对地线电压或电流不同时,可通过下列方法求出两种模式的成分:   VN =(V1-V2)/ 2 Vc=(V1+V2)/ 2   IN =(I1-I2)/ 2 Ic=(I1+I2)/ 2   通过被连接的电路,两根导线终端与地线之间存在着阻抗。这两条线的阻抗一旦不平衡,在终端就会出现模式的相互转换。即通过导线传递的一种模式在终端反射时,其中一部分会变换成另一种模式。   另外,通常两根导线之间的间隔较小,导线与地线导体之间距离较大。所以若考虑从导线辐射的干扰,与差模电流产生的辐射相比,共模电流辐射的强度更大。   与此相反,可以说因外部电磁场干扰在导线上产生的干扰电压/电流,或附近的导线等产生的静电感应、电磁感应等的耦合是一样的。 传导噪声与辐射噪声的区别是什么?   答:当我们开空调时,室内的荧光灯会出现瞬间变暗的现象,这是因为大量电流流向空调,电压急速下降,利用同一电源的荧光灯受到影响。还有使用吸尘器时收音机会出现啪啦啪啦的杂音。原因是吸尘器的马达产生的微弱(低强度高频的)电压/电流变化通过电源线传递进入收音机,以杂音的形式放了出来。   这种由一个设备中产生的电压/电流通过电源线、信号线传导并影响其它设备时,将这个电压/电流的变化叫做“传导干扰”。所以为对症下药,通常采用的方法是给发生源及被干扰设备的电源线等安装滤波器,阻止传导干扰的传输。另外,当当信号线上出现噪声时,将信号线改为光纤,也可隔断传输途径。   当摩托车从附近道路通过时,电视会出现雪花状干扰。这是因为摩托车点火装置的脉冲电流产生了电磁波,传到空间再传给附近的电视天线、电路上,产生了干扰电压/电流。   象这种通过空间传播,并对其它设备电路产生无用电压/电流,造成危害的干扰称为“辐射干扰”。由于传播途径是空间,解决辐射干扰的方法除前面所讲的滤波之外,还要对设备进行屏蔽方能有效。 如上所述,干扰的根源是电压/电流产生不必要的变化,这种变化通过导线直接传递给其它设备,造成危害,这叫“传导干扰”。另外,由于电压电流变化而产生的电磁波通过空间传播到其它设备中,在电路或导线上产生不必要的电压/电流,并造成危害的干扰叫“辐射干扰”。但是,实际上并不能这样简单区分。 下一页:如何抑制电磁干扰 以上我们介绍了电磁干扰的一些分类,下面我们介绍如何来抑制电磁干扰   电磁干扰的定义,是指由外部噪声和无用电磁波在接收中所造成的骚扰。一个系统或系统内某一线路受电磁干扰程度可以表示为如下关系式:   N=G×C/I   G:噪声源强度;   C:噪声通过某种途径传到受干扰处的耦合因素;   I:受干扰电路的敏感程度。   G、C、I这三者构成电磁干扰三要素。电磁干扰抑制技术就是围绕这三要素所采取的各种措施,归纳起来就是三条:一、抑制电磁干扰源;二、切断电磁干扰耦合途径;三、降低电磁敏感装置的敏感性。下面就这三方面分别作出介绍。 一、抑制干扰源   要想掏干扰源,首先必须确定何处是干扰源,在越靠近干扰源的地方采取措施,抑制效果越好。一般来说,电流电压剧变即di/dt或du/dt大的地方就是干扰源;具体来说继电器开合、电容充电、电机运转、集成电路开关工作等都可能成为干扰源。另外,市电电源也并非理想的50Hz正弦波,而是充满各种频率噪声,是个不可忽视的干扰源。抑制方法可以采用低噪声电路、瞬态抑制电路、旋转装置抑制电路、稳压电路等;器件的选择则尽可能采用低噪声、高频特性好、稳定性高的电子元件。要注意,抑制电路中不适当的器件选择可能会产生新的干扰源。 二、切断电磁干扰耦合途径   电磁干扰耦合途径主要为传导和辐射两种。噪声经导线直接耦合到电路中最常见的。抑制传导干扰的主要措施是串接滤波器。滤波器分为低通(LPF)、高通(HPE)、带通(BPF)、带阻(BEF)四种,根据信号与噪声频率的差别选择不同类型的滤波器。如果噪声频率远高于信号频率,常采用LC低通滤波器,这种滤波器结构简单,滤除噪声效果也较好。但是对于军用或TEMPEST技术以及要求较高的民用产品,则必须采用穿心式滤波器。   穿心式滤波器(Feed-thruFilters)也称为穿越式滤波器,电路结构有C型、T型和LC型,其特点在于高频特性优良,可工作在1GHz以上。这是其“同轴”性质决定的,由于它无寄生电感,提高了自谐频率。穿心式滤波器体积小、重量轻,允许电流大大,可广泛用于各种不同场合。   对于通过供电电源线传导的噪声可以用电源滤波器来滤除。只符合VDE0871标准的电源滤波器在30K-30MHZ范围内插入损耗为20-100dB。电源滤波器不仅可以接在电网输入处,也可接在噪声源电路的输出处,以抑制噪声输出,而且交直流两用。电源滤波器端口分高阻和低阻两端,应根据输入及负载阻抗不同来选择正确的接法。连接的原则是依照阻抗最失配,即高阻输入端接滤滤器阻端,低阻负载端接滤波器高阻端;反之亦然。   对传输线路及印刷电路板的布线设计,应注意进线与出线、信号线与电源线尽量分开。对于重点线路可采用损耗线滤波器、三端子电容、磁环等器件进行干扰抑制。对于接口端,国外有带滤波的D型、圆形、方形连接器产品,这类连接器是在普通连接器上加装电容或电感,构成滤波电路,其特点是不占用。PCB空间,不增加体积,这对于现代元件高密度设计极为重要。最近,国内也有厂家生产,质量不低于国外水平,可以替代进口。   对于辐射干扰,主要措施是采用屏蔽技术和分层技术。屏蔽技术是一门科学,选择适当的屏蔽材料,在适当的位置屏蔽,对屏蔽效果至关重要。尤其是屏蔽室的设计。可供选择的屏蔽材料种类繁多,有各种金属板、指形铍铜合金簧片、铜丝网、编织铜带、导电橡胶、导电胶、导电玻璃等等。应根据需要选择。屏蔽室的设计应充分考虑门窗、通风口、进出线口的屏蔽与搭接。除静电屏蔽外,还需考虑磁屏蔽以及接地和接大地技术。 三、降低电磁敏感装置的敏感度   电磁敏感装置的敏感是一柄双刃剑;一方面人们希望接收装置灵敏度高,以提高对信号的接收能力;另一方面,灵敏高受噪声影响的可能性也就越大。因此,根据具体情况采用降额设计、避设计、网络钝化、功能钝化等方法是解决问题的办法。   综上所述,对于电磁干扰的抑制方法很多,可以选择一种或多种综合运用。但不论选择什么方法都应从设计之初就着手系统电磁兼容性的考虑,而不是亡羊补牢。

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