優(yōu)秀模擬工程師必備(一):電磁干擾(EMI)

　　所謂的電磁干擾，廣義來說，一切進(jìn)入信道或通信系統(tǒng)的非有用信號，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，附近有人使用電鉆、電吹風(fēng)等電器，會使電視畫面出現(xiàn)雪花點，所聲器里發(fā)出剌耳的噪聲……等等。這類現(xiàn)象人們早已司空見慣、習(xí)以為常了，但是電磁干擾的危害卻遠(yuǎn)不止如此。事實上，電磁干擾已使民航系統(tǒng)失效、通信不暢、計算機(jī)運行錯誤、自控設(shè)備誤動作等，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，功能越來越強(qiáng)大，電子線路也越來越復(fù)雜，電磁干擾(EMI)和電磁兼容性問題變成了主要問題，電路設(shè)計對設(shè)計師的技術(shù)水平要求也越來越高。電磁干擾一般都分為兩種，傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡(luò)。因此對EMC問題的研究就是對干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備三者之間關(guān)系的研究。

　　美國聯(lián)邦通訊委員會在1990年、歐盟在1992提出了對商業(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)品的競爭優(yōu)勢。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、臺灣地區(qū)的BSMI認(rèn)證、中國的3C認(rèn)證等都是進(jìn)入這些市場的“通行證”。

　　電磁感應(yīng)與電磁干擾

　　很多人從事電子線路設(shè)計的時候，都是從認(rèn)識電子元器件開始，但從事電磁兼容設(shè)計實際上應(yīng)從電磁場理論開始，即從電磁感應(yīng)認(rèn)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(dǎo)線組成，當(dāng)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(chǎn)生電場，當(dāng)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，這個位移電流是由于電容器的兩個極板帶電，并在兩個極板之間產(chǎn)生電場，通過電場感應(yīng)，兩個極板會產(chǎn)生充放電，形成位移電流。實際上電容器回路中的電流并沒有真正流過電容器，而只是對電容器進(jìn)行充放電。當(dāng)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(chǎn)生感應(yīng)。在兩極板之間的電路不管是閉合回路，或者是開路，在與電場方向一致的導(dǎo)體中都會產(chǎn)生位移電流(當(dāng)電場的方向不斷改變時)，即電流一會兒向前跑，一會兒向后跑。

　　電場強(qiáng)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(shù)米長的導(dǎo)線，當(dāng)其流過數(shù)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(qiáng)度，就可以在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的電流，可見電場作用效力之大，其干擾能力之強(qiáng)。

　　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(yīng)電流，這個感應(yīng)電流是因為變壓器初級線圈中有電流流過時，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)生的磁力線穿過某個電路時，此電路作為變壓器的“次級線圈”就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。兩個相鄰回路的電路，也同樣可以把其中的一個回路看成是變壓器的“初級線圈”，而另一個回路可以看成是變壓器的“次級線圈”，因此兩個相鄰回路同樣產(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或磁場存在，就會產(chǎn)生電磁干擾。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)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

　　從受干擾方面來看,外來噪聲是外界干擾,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。有通過電源線、信號線、地線、大地等途徑傳播的“傳導(dǎo)干擾”,也有通過空間直接傳播的“空間干擾”。

　　這些噪聲并不獨立存在,在傳播過程中又會出現(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,瞬時干擾,隨機(jī)干擾,跳動干擾。

　　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,開關(guān)的震顫干擾,雷電涌,尖峰脈沖干擾,噴射環(huán)電弧,瞬時浪涌。

　　將來可能會將下面這些項目歸入到交流干擾內(nèi)：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)運而生了EMC技術(shù)。

　　簡而言之,EMC是“不發(fā)干擾,不受干擾”。現(xiàn)在國內(nèi)外都在研究開發(fā)EMC技術(shù),并應(yīng)用于電氣電子設(shè)備的制造中。