優(yōu)秀模擬工程師必備(一):電磁干擾(EMI)

　　所謂的電磁干擾，廣義來(lái)說(shuō)，一切進(jìn)入信道或通信系統(tǒng)的非有用信號(hào)，均稱之為電磁干擾。電磁干擾已經(jīng)深入到我們?nèi)粘５纳睢＠?，觀看電視時(shí)，附近有人使用電鉆、電吹風(fēng)等電器，會(huì)使電視畫(huà)面出現(xiàn)雪花點(diǎn)，所聲器里發(fā)出剌耳的噪聲……等等。這類現(xiàn)象人們?cè)缫阉究找?jiàn)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(jì)算機(jī)運(yùn)行錯(cuò)誤、自控設(shè)備誤動(dòng)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，在這里小編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(lái)越強(qiáng)大，電子線路也越來(lái)越復(fù)雜，電磁干擾(EMI)和電磁兼容性問(wèn)題變成了主要問(wèn)題，電路設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)師的技術(shù)水平要求也越來(lái)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(guò)導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過(guò)空間把其信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。因此對(duì)EMC問(wèn)題的研究就是對(duì)干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備三者之間關(guān)系的研究。

　　美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)在1990年、歐盟在1992提出了對(duì)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(gè)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(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(tái)灣地區(qū)的BSMI認(rèn)證、中國(guó)的3C認(rèn)證等都是進(jìn)入這些市場(chǎng)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(jì)的時(shí)候，都是從認(rèn)識(shí)電子元器件開(kāi)始，但從事電磁兼容設(shè)計(jì)實(shí)際上應(yīng)從電磁場(chǎng)理論開(kāi)始，即從電磁感應(yīng)認(rèn)識(shí)開(kāi)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(shí)候，在所有帶電的元器件周圍都會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，當(dāng)電路中有電流流過(guò)的時(shí)候，在所有載流體的周圍都存在磁場(chǎng)。

　　電容器是電場(chǎng)最集中的元件，流過(guò)電容器的電流是位移電流，這個(gè)位移電流是由于電容器的兩個(gè)極板帶電，并在兩個(gè)極板之間產(chǎn)生電場(chǎng)，通過(guò)電場(chǎng)感應(yīng)，兩個(gè)極板會(huì)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(méi)有真正流過(guò)電容器，而只是對(duì)電容器進(jìn)行充放電。當(dāng)電容器的兩個(gè)極板張開(kāi)時(shí)，可以把兩個(gè)極板看成是一組電場(chǎng)輻射天線，此時(shí)在兩個(gè)極板之間的電路都會(huì)對(duì)極板之間的電場(chǎng)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(kāi)路，在與電場(chǎng)方向一致的導(dǎo)體中都會(huì)產(chǎn)生位移電流(當(dāng)電場(chǎng)的方向不斷改變時(shí))，即電流一會(huì)兒向前跑，一會(huì)兒向后跑。

　　電場(chǎng)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(zhǎng)的導(dǎo)線，當(dāng)其流過(guò)數(shù)安培的電流時(shí)，其兩端電壓最多也只有零點(diǎn)幾伏，即幾十毫伏/米的電場(chǎng)強(qiáng)度，就可以在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的電流，可見(jiàn)電場(chǎng)作用效力之大，其干擾能力之強(qiáng)。

　　電感器和變壓器是磁場(chǎng)最集中的元件，流過(guò)變壓器次級(jí)線圈的電流是感應(yīng)電流，這個(gè)感應(yīng)電流是因?yàn)樽儔浩鞒跫?jí)線圈中有電流流過(guò)時(shí)，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(gè)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(guò)某個(gè)電路時(shí)，此電路作為變壓器的“次級(jí)線圈”就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。兩個(gè)相鄰回路的電路，也同樣可以把其中的一個(gè)回路看成是變壓器的“初級(jí)線圈”，而另一個(gè)回路可以看成是變壓器的“次級(jí)線圈”，因此兩個(gè)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(chǎng)或磁場(chǎng)存在，就會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)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(lái)看,外來(lái)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(guò)電源線、信號(hào)線、地線、大地等途徑傳播的“傳導(dǎo)干擾”,也有通過(guò)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(guò)程中又會(huì)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(kāi)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(kāi)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(shí)干擾,隨機(jī)干擾,跳動(dòng)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(kāi)關(guān)的震顫干擾,雷電涌,尖峰脈沖干擾,噴射環(huán)電弧,瞬時(shí)浪涌。

　　將來(lái)可能會(huì)將下面這些項(xiàng)目歸入到交流干擾內(nèi)：瞬時(shí)停電,瞬時(shí)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(lái)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(jiǎn)而言之,EMC是“不發(fā)干擾,不受干擾”。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外都在研究開(kāi)發(fā)EMC技術(shù),并應(yīng)用于電氣電子設(shè)備的制造中。