電磁干擾及其解決措施

電磁干擾(Electromagnetic Interference, EMI)是指由于不規(guī)則電磁擾動(dòng)而造成電子設(shè)備系統(tǒng)性能降低，要使電子或機(jī)電產(chǎn)品能夠有效工作，必須實(shí)現(xiàn)電磁兼容(Electronicmagnetic Compatible, EMC）。但是EMI問題往往是在完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)之后才注意到，實(shí)際上應(yīng)該在此之前首先考慮，以保證產(chǎn)品充分發(fā)揮其應(yīng)有的性能。

EMI從發(fā)射源到達(dá)受干擾系統(tǒng)有兩種途徑：即傳導(dǎo)和輻射。兩者的區(qū)別在于前者沿導(dǎo)線傳播而后者是在空氣中傳播。一般來講輻射EMI的頻率要高于30MHz, 傳導(dǎo)EMI的頻率低于30MHz。

干擾信號(hào)有兩種形式：連續(xù)干擾信號(hào)和瞬時(shí)干擾信號(hào)。連續(xù)干擾持續(xù)時(shí)間大于1/60s(16.67ms），而瞬時(shí)干擾持續(xù)時(shí)間小于1/60s。連續(xù)干擾可有低頻和高頻兩種方式。低頻干擾源包括熒光燈、電機(jī)和開關(guān)模式直流電源等；高頻干擾一般是指射頻干擾(Radio-frequency Interference, RFI），通常源于無線電發(fā)射機(jī)、計(jì)算機(jī)時(shí)鐘和其它信號(hào)源。典型RFI環(huán)境下，干擾信號(hào)水平可在幾mV/m～300V/m之間，上限值一般只出現(xiàn)在高功率無線電臺(tái)或雷達(dá)站發(fā)射天線附近。任何大于1伏/米的干擾都會(huì)對(duì)未保護(hù)電路造成破壞。一般電子產(chǎn)品需要能夠承受10V/m的干擾，醫(yī)療和汽車設(shè)備為200V/m，而軍事設(shè)備要高達(dá)300-400V/m。與數(shù)字電路相比，模擬電路更容易受RFI影響，在較低的電磁信號(hào)下即受到干擾。瞬時(shí)干擾可以是重復(fù)或隨機(jī)的干擾，如電感器和電容器的放電即屬于瞬時(shí)重復(fù)干擾，瞬時(shí)隨機(jī)干擾可來源于靜電放電（electrostatic discharge, ESD）、雷電以及核電磁脈沖等。在有雷電時(shí)，高壓線路比低壓線路更容易受到影響，干擾可沿著供電線路傳到家庭或辦公室，損壞電路。

應(yīng)對(duì)EMI有兩種措施：屏蔽和濾波。屏蔽是用來防止輻射干擾，其作用是在干擾RF信號(hào)到達(dá)被保護(hù)電路之前將其衰減。而濾波是用來防止傳導(dǎo)干擾，它具有雙向功效，既能防止干擾進(jìn)入，也能防止漏出。通常高價(jià)位電器與低價(jià)位電器之間的區(qū)別主要在于其所采取的屏蔽手段。各種電子產(chǎn)品的屏蔽也不盡相同，有的采用鄰接方式，以凹凸槽將外殼拼接在一起。對(duì)于低頻輻射干擾，最低的要求如圖1所示，下半部分邊緣至少要和上半部分重疊4～6mm。對(duì)于高頻干擾信號(hào)，僅靠幾個(gè)螺絲固定來屏蔽是不夠的，應(yīng)多加幾個(gè)，最低的原則是：兩個(gè)螺絲之間的距離不能超過干擾信號(hào)波長的一半，最好是1/8波長左右。

在不同情況下濾波有不同的意義，盡管也有一些高通和帶通濾波，多數(shù)EMI濾波都是低通的。有時(shí)干擾信號(hào)具有特定頻率，因而需要陷波濾波器。從理論上講，一個(gè)電容或電感器可以將干擾信號(hào)衰減20dB，最大可能有60～120dB，事實(shí)上達(dá)不到。電容濾波器多用于高阻抗電路，而電感濾波器多用于低阻抗電路。最簡單的濾波器是饋通電容濾波器，如果與好的屏蔽相配合，這樣的饋通電容濾波器已經(jīng)足夠了。

圖2所示為兩種在屏蔽板安裝饋通電容濾波器的方法，a為螺絲固定方式，螺母應(yīng)緊緊地固定在底座。b為焊接方式，但屏蔽板不能是鋁材。如果需要更大程度的濾波，需要將L和C結(jié)合使用，典型的連接方式如圖3所示。a為內(nèi)電容器輸入型，理論上能達(dá)到40dB也就是100：1的衰減，雖然對(duì)于LF和VHF衰減有所不同，但基本可以用于任何頻率的電路。為得到較好的濾波效果，引線應(yīng)盡量短以避免信號(hào)的輻射。如果用第二個(gè)饋通電容器代替圖3a中的護(hù)孔圈（Grommet），就能夠?qū)崿F(xiàn)更高一級(jí)的濾波，理論上這樣可以衰減60dB。圖3 b為外電感器輸入型，電感器或RF扼流器(RF choke)外接到底座，并且直接和饋通電容器相連。

在阻抗已知時(shí)，可用圖4所示的濾波器。如果輸入和輸出阻抗都很低，可用一個(gè)電感器或RF扼流器或者包含兩個(gè)電感器、一個(gè)電容器的T形濾波方式。 如果輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，此時(shí)可用一個(gè)電容輸入L形(L-section)濾波器。同樣如果輸入阻抗很低，而輸出阻抗很高，此時(shí)可用一個(gè)電感輸入L形濾波器。如果輸入、輸出阻抗都很高，可用一電容或Π形(Pi-section)濾波器。

產(chǎn)生干擾信號(hào)的電流有兩種形式：共模和差分，如圖5所示，共模和差分模式所需的濾波方式不同。差分模式中，需要在信號(hào)線（hot lead)串接一濾波器并接地；在共模模式，需要在所有相關(guān)的引線上使用相同的濾波方式。圖6為一種對(duì)共模和差分模式都適合的濾波方式。

AC電源線是傳導(dǎo)EMI的來源，必須最大程度地濾波。AC電源線濾波不僅要防止RFI，而且要防止遠(yuǎn)處的雷電。防止雷電或其它高壓瞬時(shí)干擾可采用圖7所示的金屬氧化物變阻器(MOV），其作用相當(dāng)于一對(duì)背靠背的齊納二極管。不論極性如何，它都能夠把高壓瞬時(shí)干擾降低。從另一個(gè)角度講，MOV 在低壓下像一個(gè)絕緣體，但在超過一定的電壓閾值后，變阻器呈現(xiàn)出低阻抗，將瞬時(shí)干擾電壓信號(hào)降低。MOV主要用于AC電源線上瞬間電壓擾動(dòng)濾波。

圖8所示為對(duì)共模和差分RFI都適合的濾波器。用值足夠大的器件，可以在某種程度上防止雷電或其它瞬時(shí)干擾信號(hào)。

EMI問題存在于心電圖儀（electrocardiograph， ECG）、腦電圖儀(electroencephalograph，EEG)等醫(yī)療設(shè)備中，而這些設(shè)備需要在強(qiáng)干擾信號(hào)下處理僅幾個(gè)mV到1mV的信號(hào)。除RFI外，還有兩種其它干擾來源。第一是電震發(fā)生(或去纖震)器(defibrillator），源于使病人心臟正常起搏的電容性放電，可高達(dá)幾kV。第二來源于500～2500KHz的高功率RF 電外科設(shè)備（electrosurgery units），其電路中RF功率可高達(dá)400～500W，而這些距離電路ECG和EEG的信號(hào)電極僅有幾個(gè)cm，沒有適當(dāng)?shù)臑V波這些設(shè)備難以正常工作。

圖9所示為一種濾波輸入電路，可用于保護(hù)處在高壓或強(qiáng)電磁場中的EEG、ECG等，采用這種濾波器后，上面提到高壓或高功率的電震發(fā)生器和電外科設(shè)備可與其它儀器同時(shí)使用。由于EEG和ECG中的信號(hào)都低于100Hz，因此這樣一低通RC濾波器已經(jīng)足夠。

電腦EMI是很嚴(yán)重的，放一個(gè)AM收音機(jī)在電腦附近，會(huì)聽到許多雜音。由于電腦時(shí)鐘已高達(dá)幾百M(fèi)Hz，對(duì)于FM收音機(jī)的干擾更大。圖10是一種連接數(shù)字引腳的解決辦法，正是這些引腳將EMI帶到電路板。鐵氧體環(huán)(ferrite beads）相當(dāng)于一個(gè)小RF 扼流器，可除去VHF/UHF波段的RFI。由于此濾波方式是雙向的，因此也可同時(shí)防止進(jìn)入和漏出的干擾信號(hào)。電腦系統(tǒng)主要的干擾信號(hào)來源于監(jiān)視器，這是因?yàn)閮蓚€(gè)因素：第一，偏轉(zhuǎn)電路通常工作在小于40KHz的波段，這低于許多其它系統(tǒng)，并且有許多諧波；第二，偏轉(zhuǎn)電路通常功率很高?？赏ㄟ^電路屏蔽和在信號(hào)線上連接共模扼流器來防止這種干擾信號(hào)?！觯ㄐ鹿猓?/font>