現代的電子產(chǎn)品，功能越來(lái)越強大，電子線(xiàn)路也越來(lái)越復雜，電磁干擾(EMI)和電磁兼容性問(wèn)題變成了主要問(wèn)題，電路設計對設計師的技術(shù)水平要求也越來(lái)越高。電磁干擾一般都分為兩種，傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾是指通過(guò)導電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )上的信號耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )。輻射干擾是指干擾源通過(guò)空間把其信號耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )。因此對EMC問(wèn)題的研究就是對干擾源、耦合途徑、敏感設備三者之間關(guān)系的研究。

 

美國聯(lián)邦通訊委員會(huì )在1990年、歐盟在1992提出了對商業(yè)數碼產(chǎn)品的有關(guān)規章，這些規章要求各個(gè)公司確保他們的產(chǎn)品符合嚴格的磁化系數和發(fā)射準則。符合這些規章的產(chǎn)品稱(chēng)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(chǎng)準入認證，用以保護本地區的電磁環(huán)境和本土產(chǎn)品的競爭優(yōu)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(jìn)入這些市場(chǎng)的“通行證”。

 

 

很多人從事電子線(xiàn)路設計的時(shí)候，都是從認識電子元器件開(kāi)始，但從事電磁兼容設計實(shí)際上應從電磁場(chǎng)理論開(kāi)始，即從電磁感應認識開(kāi)始。

 

一般電子線(xiàn)路都是由電阻器、電容器、電感器、變壓器、有源器件和導線(xiàn)組成，當電路中有電壓存在的時(shí)候，在所有帶電的元器件周?chē)紩?huì )產(chǎn)生電場(chǎng)，當電路中有電流流過(guò)的時(shí)候，在所有載流體的周?chē)即嬖诖艌?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，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，而只是對電容器進(jìn)行充放電。當電容器的兩個(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(xiàn)，此時(shí)在兩個(gè)極板之間的電路都會(huì )對極板之間的電場(chǎng)產(chǎn)生感應。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)方向一致的導體中都會(huì )產(chǎn)生位移電流(當電場(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。一根數米長(cháng)的導線(xiàn)，當其流過(guò)數安培的電流時(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)強度，就可以在導體內產(chǎn)生數安培的電流，可見(jiàn)電場(chǎng)作用效力之大，其干擾能力之強。

 

 

電感器和變壓器是磁場(chǎng)最集中的元件，流過(guò)變壓器次級線(xiàn)圈的電流是感應電流，這個(gè)感應電流是因為變壓器初級線(xiàn)圈中有電流流過(guò)時(shí)，產(chǎn)生磁感應而產(chǎn)生的。在電感器和變壓器周邊的電路，都可看成是一個(gè)變壓器的感應線(xiàn)圈，當電感器和變壓器漏感產(chǎn)生的磁力線(xiàn)穿過(guò)某個(gè)電路時(shí)，此電路作為變壓器的“次級線(xiàn)圈”就會(huì )產(chǎn)生感應電流。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“初級線(xiàn)圈”，而另一個(gè)回路可以看成是變壓器的“次級線(xiàn)圈”，因此兩個(gè)相鄰回路同樣產(chǎn)生電磁感應，即互相產(chǎn)生干擾。

 

在電子線(xiàn)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及系統設計中，高頻信號線(xiàn)、集成電路的引腳、各類(lèi)接插件等都可能成為具有天線(xiàn)特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其它系統或本系統內其他子系統的正常工作。

 

 

具體到“電磁干擾”,可以按照下面所列七類(lèi)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(lèi)中進(jìn)一步分類(lèi)。根據發(fā)生源可將干擾細分如圖1～圖4。

 

圖1 電磁干擾源類(lèi)別

 

圖2自然干擾源類(lèi)別

 

圖3人為干擾源類(lèi)別

 

圖4 內部干擾源類(lèi)別

 

從受干擾方面來(lái)看,外來(lái)噪聲是外界干擾,內部噪聲是機內噪聲。

 

除此之外,噪聲按傳遞途徑分類(lèi)如圖5所示。

 

圖5 按照干擾傳輸路徑分類(lèi)

 

干擾傳播的途徑如圖6所示。有通過(guò)電源線(xiàn)、信號線(xiàn)、地線(xiàn)、大地等途徑傳播的“傳導干擾”,也有通過(guò)空間直接傳播的“空間干擾”。

 

這些噪聲并不獨立存在,在傳播過(guò)程中又會(huì )出現新的復雜噪聲。

 

圖6 干擾傳播路徑

 

造成數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)翻轉干擾,⑤串擾干擾(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 )將下面這些項目歸入到交流干擾內：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(lèi)別,這些干擾既產(chǎn)生于電氣電子設備,又干擾電氣電子設備,造成設備的故障和停用,帶來(lái)經(jīng)濟和人員傷害。為了使各種設備能夠互不干擾,正常工作,應運而生了EMC技術(shù)。

 

簡(jiǎn)而言之,EMC是“不發(fā)干擾,不受干擾”?，F在國內外都在研究開(kāi)發(fā)EMC技術(shù),并應用于電氣電子設備的制造中。

 

問(wèn)： 什么是共模干擾和差模干擾?為什么有二種?

 

答： 從干擾源發(fā)出的干擾泄漏到外部的途徑、或者是干擾侵入到受干擾的設備中的途徑,有電壓、電流通過(guò)電源線(xiàn)或信號線(xiàn)的傳導傳輸和靠電磁波在空間輻射傳輸二種途徑。

 

 

化通過(guò)導線(xiàn)傳輸時(shí)有二種形態(tài),我們將此稱(chēng)做“共模”和“差模”。設備的電源線(xiàn)、電話(huà)等的通信線(xiàn)、與其它設備或外圍設備相互交換的通訊線(xiàn)路,至少有兩根導線(xiàn),這兩根導線(xiàn)作為往返線(xiàn)路輸送電力或信號。但在這兩根導線(xiàn)之外通常還有第三導體,這就是“地線(xiàn)”。干擾電壓和電流分為兩種：一種是兩根導線(xiàn)分別做為往返線(xiàn)路傳輸;另一種是兩根導線(xiàn)做去路,地線(xiàn)做返回路傳輸。前者叫“差模”,后者叫“共模”。

 

如圖7所示,電源、信號源及其負載通過(guò)兩根導線(xiàn)連接。流過(guò)一邊導線(xiàn)的電流與另一邊導線(xiàn)的電流幅度相同,方向相反。但是干擾源并不一定連接在兩根導線(xiàn)之間。由于噪聲源有各種形態(tài),所以也有在兩根導線(xiàn)與地線(xiàn)之間的電壓。其結果是流過(guò)兩根導線(xiàn)的干擾電流幅度不同。

 

圖7 差模干擾

 

請看圖8,在加在兩線(xiàn)之間的干擾電壓的驅動(dòng)下,兩根導線(xiàn)上有幅度相同但方向相反的電流(差模電流)。但如果同時(shí)在兩根導線(xiàn)與地線(xiàn)之間加上干擾電壓,兩根線(xiàn)就會(huì )流過(guò)幅度和方向都相同的電流,這些電流(共模)合在一起經(jīng)地線(xiàn)流向相反方向。我們來(lái)考察流過(guò)兩根導線(xiàn)的電流。一根導線(xiàn)上的差模干擾電流與共模干擾同向,因此相加;另一根導線(xiàn)上的差模噪聲與共模噪聲反向,因此相減。因此,流經(jīng)兩根導線(xiàn)的電流具有不同的幅度。

 

我們再來(lái)考慮一下對地線(xiàn)的電壓。如圖8,對于差模電壓,一根導線(xiàn)上是(線(xiàn)間電壓)/2,而另一根導線(xiàn)上是 -(線(xiàn)間電壓)/2,因而是平衡的。但共模電壓兩根導線(xiàn)上相同。所以當兩種模式同時(shí)存在時(shí),兩根導線(xiàn)對地線(xiàn)的電壓也不同。

 

圖8 對地電壓/電流與差模、共模電壓/電流之間的關(guān)系

 

因此,當兩根導線(xiàn)對地線(xiàn)電壓或電流不同時(shí),可通過(guò)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(guò)被連接的電路,兩根導線(xiàn)終端與地線(xiàn)之間存在著(zhù)阻抗。這兩條線(xiàn)的阻抗一旦不平衡,在終端就會(huì )出現模式的相互轉換。即通過(guò)導線(xiàn)傳遞的一種模式在終端反射時(shí),其中一部分會(huì )變換成另一種模式。

 

另外,通常兩根導線(xiàn)之間的間隔較小,導線(xiàn)與地線(xiàn)導體之間距離較大。所以若考慮從導線(xiàn)輻射的干擾,與差模電流產(chǎn)生的輻射相比,共模電流輻射的強度更大。

 

與此相反,可以說(shuō)因外部電磁場(chǎng)干擾在導線(xiàn)上產(chǎn)生的干擾電壓/電流,或附近的導線(xiàn)等產(chǎn)生的靜電感應、電磁感應等的耦合是一樣的。

 

 

答：當我們開(kāi)空調時(shí),室內的熒光燈會(huì )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,利用同一電源的熒光燈受到影響。還有使用吸塵器時(shí)收音機會(huì )出現啪啦啪啦的雜音。原因是吸塵器的馬達產(chǎn)生的微弱(低強度高頻的)電壓/電流變化通過(guò)電源線(xiàn)傳遞進(jìn)入收音機,以雜音的形式放了出來(lái)。

 

這種由一個(gè)設備中產(chǎn)生的電壓/電流通過(guò)電源線(xiàn)、信號線(xiàn)傳導并影響其它設備時(shí),將這個(gè)電壓/電流的變化叫做“傳導干擾”。所以為對癥下藥,通常采用的方法是給發(fā)生源及被干擾設備的電源線(xiàn)等安裝濾波器,阻止傳導干擾的傳輸。另外,當當信號線(xiàn)上出現噪聲時(shí),將信號線(xiàn)改為光纖,也可隔斷傳輸途徑。

 

當摩托車(chē)從附近道路通過(guò)時(shí),電視會(huì )出現雪花狀干擾。這是因為摩托車(chē)點(diǎn)火裝置的脈沖電流產(chǎn)生了電磁波,傳到空間再傳給附近的電視天線(xiàn)、電路上,產(chǎn)生了干擾電壓/電流。

 

象這種通過(guò)空間傳播,并對其它設備電路產(chǎn)生無(wú)用電壓/電流,造成危害的干擾稱(chēng)為“輻射干擾”。由于傳播途徑是空間,解決輻射干擾的方法除前面所講的濾波之外,還要對設備進(jìn)行屏蔽方能有效。

 

如上所述,干擾的根源是電壓/電流產(chǎn)生不必要的變化,這種變化通過(guò)導線(xiàn)直接傳遞給其它設備,造成危害,這叫“傳導干擾”。另外,由于電壓電流變化而產(chǎn)生的電磁波通過(guò)空間傳播到其它設備中,在電路或導線(xiàn)上產(chǎn)生不必要的電壓/電流,并造成危害的干擾叫“輻射干擾”。但是,實(shí)際上并不能這樣簡(jiǎn)單區分。

 

 

電磁干擾的定義，是指由外部噪聲和無(wú)用電磁波在接收中所造成的騷擾。一個(gè)系統或系統內某一線(xiàn)路受電磁干擾程度可以表示為如下關(guān)系式：

 

N=G×C/I

 

G：噪聲源強度;

 

C：噪聲通過(guò)某種途徑傳到受干擾處的耦合因素;

 

I：受干擾電路的敏感程度。

 

G、C、I這三者構成電磁干擾三要素。電磁干擾抑制技術(shù)就是圍繞這三要素所采取的各種措施，歸納起來(lái)就是三條：一、抑制電磁干擾源;二、切斷電磁干擾耦合途徑;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。

 

 

要想掏干擾源，首先必須確定何處是干擾源，在越靠近干擾源的地方采取措施，抑制效果越好。一般來(lái)說(shuō)，電流電壓劇變即di/dt或du/dt大的地方就是干擾源;具體來(lái)說(shuō)繼電器開(kāi)合、電容充電、電機運轉、集成電路開(kāi)關(guān)工作等都可能成為干擾源。另外，市電電源也并非理想的50Hz正弦波，而是充滿(mǎn)各種頻率噪聲，是個(gè)不可忽視的干擾源。抑制方法可以采用低噪聲電路、瞬態(tài)抑制電路、旋轉裝置抑制電路、穩壓電路等;器件的選擇則盡可能采用低噪聲、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(huì )產(chǎn)生新的干擾源。

 

 

電磁干擾耦合途徑主要為傳導和輻射兩種。噪聲經(jīng)導線(xiàn)直接耦合到電路中最常見(jiàn)的。抑制傳導干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(lèi)型的濾波器。如果噪聲頻率遠高于信號頻率，常采用LC低通濾波器，這種濾波器結構簡(jiǎn)單，濾除噪聲效果也較好。但是對于軍用或TEMPEST技術(shù)以及要求較高的民用產(chǎn)品，則必須采用穿心式濾波器。

 

穿心式濾波器(Feed-thruFilters)也稱(chēng)為穿越式濾波器，電路結構有C型、T型和LC型，其特點(diǎn)在于高頻特性?xún)?yōu)良，可工作在1GHz以上。這是其“同軸”性質(zhì)決定的，由于它無(wú)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，可廣泛用于各種不同場(chǎng)合。

 

對于通過(guò)供電電源線(xiàn)傳導的噪聲可以用電源濾波器來(lái)濾除。只符合VDE0871標準的電源濾波器在30K-30MHZ范圍內插入損耗為20-100dB。電源濾波器不僅可以接在電網(wǎng)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。電源濾波器端口分高阻和低阻兩端，應根據輸入及負載阻抗不同來(lái)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(xiàn)路及印刷電路板的布線(xiàn)設計，應注意進(jìn)線(xiàn)與出線(xiàn)、信號線(xiàn)與電源線(xiàn)盡量分開(kāi)。對于重點(diǎn)線(xiàn)路可采用損耗線(xiàn)濾波器、三端子電容、磁環(huán)等器件進(jìn)行干擾抑制。對于接口端，國外有帶濾波的D型、圓形、方形連接器產(chǎn)品，這類(lèi)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(diǎn)是不占用。PCB空間，不增加體積，這對于現代元件高密度設計極為重要。最近，國內也有廠(chǎng)家生產(chǎn)，質(zhì)量不低于國外水平，可以替代進(jìn)口。

 

對于輻射干擾，主要措施是采用屏蔽技術(shù)和分層技術(shù)。屏蔽技術(shù)是一門(mén)科學(xué)，選擇適當的屏蔽材料，在適當的位置屏蔽，對屏蔽效果至關(guān)重要。尤其是屏蔽室的設計?？晒┻x擇的屏蔽材料種類(lèi)繁多，有各種金屬板、指形鈹銅合金簧片、銅絲網(wǎng)、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(mén)窗、通風(fēng)口、進(jìn)出線(xiàn)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(shù)。

 

 

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，根據具體情況采用降額設計、避設計、網(wǎng)絡(luò )鈍化、功能鈍化等方法是解決問(wèn)題的辦法。

 

綜上所述，對于電磁干擾的抑制方法很多，可以選擇一種或多種綜合運用。但不論選擇什么方法都應從設計之初就著(zhù)手系統電磁兼容性的考慮，而不是亡羊補牢。


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