優(yōu)秀模擬工程師必備(一):電磁干擾(EMI)

　　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(shè)備中的途徑,有電壓、電流通過(guò)電源線(xiàn)或信號(hào)線(xiàn)的傳導(dǎo)傳輸和靠電磁波在空間輻射傳輸二種途徑。

　　電壓電流的變

　　化通過(guò)導(dǎo)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(shè)備的電源線(xiàn)、電話(huà)等的通信線(xiàn)、與其它設(shè)備或外圍設(shè)備相互交換的通訊線(xiàn)路,至少有兩根導(dǎo)線(xiàn),這兩根導(dǎo)線(xiàn)作為往返線(xiàn)路輸送電力或信號(hào)。但在這兩根導(dǎo)線(xiàn)之外通常還有第三導(dǎo)體,這就是“地線(xiàn)”。干擾電壓和電流分為兩種：一種是兩根導(dǎo)線(xiàn)分別做為往返線(xiàn)路傳輸;另一種是兩根導(dǎo)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1所示,電源、信號(hào)源及其負(fù)載通過(guò)兩根導(dǎo)線(xiàn)連接。流過(guò)一邊導(dǎo)線(xiàn)的電流與另一邊導(dǎo)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(dǎo)線(xiàn)之間。由于噪聲源有各種形態(tài),所以也有在兩根導(dǎo)線(xiàn)與地線(xiàn)之間的電壓。其結(jié)果是流過(guò)兩根導(dǎo)線(xiàn)的干擾電流幅度不同。

　　圖1 差模干擾

　　請(qǐng)看圖2,在加在兩線(xiàn)之間的干擾電壓的驅(qū)動(dòng)下,兩根導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線(xiàn)的電流。一根導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線(xiàn)的電流具有不同的幅度。

　　我們?cè)賮?lái)考慮一下對(duì)地線(xiàn)的電壓。如圖2,對(duì)于差模電壓,一根導(dǎo)線(xiàn)上是(線(xiàn)間電壓)/2,而另一根導(dǎo)線(xiàn)上是 -(線(xiàn)間電壓)/2,因而是平衡的。但共模電壓兩根導(dǎo)線(xiàn)上相同。所以當(dāng)兩種模式同時(shí)存在時(shí),兩根導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地線(xiàn)的電壓也不同。

　　圖2 對(duì)地電壓/電流與差模、共模電壓/電流之間的關(guān)系

　　因此,當(dāng)兩根導(dǎo)線(xiàn)對(duì)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(dǎo)線(xiàn)終端與地線(xiàn)之間存在著阻抗。這兩條線(xiàn)的阻抗一旦不平衡,在終端就會(huì)出現(xiàn)模式的相互轉(zhuǎn)換。即通過(guò)導(dǎo)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(dǎo)線(xiàn)之間的間隔較小,導(dǎo)線(xiàn)與地線(xiàn)導(dǎo)體之間距離較大。所以若考慮從導(dǎo)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(qiáng)度更大。

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

　　傳導(dǎo)噪聲與輻射噪聲的區(qū)別是什么?

　　答：當(dāng)我們開(kāi)空調(diào)時(shí),室內(nèi)的熒光燈會(huì)出現(xiàn)瞬間變暗的現(xiàn)象,這是因?yàn)榇罅侩娏髁飨蚩照{(diào),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(jī)會(huì)出現(xiàn)啪啦啪啦的雜音。原因是吸塵器的馬達(dá)產(chǎn)生的微弱(低強(qiáng)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(jī),以雜音的形式放了出來(lái)。

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

　　當(dāng)摩托車(chē)從附近道路通過(guò)時(shí),電視會(huì)出現(xiàn)雪花狀干擾。這是因?yàn)槟ν熊?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(duì)其它設(shè)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(duì)設(shè)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(dǎo)線(xiàn)直接傳遞給其它設(shè)備,造成危害,這叫“傳導(dǎo)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(shè)備中,在電路或?qū)Ь€(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(qū)分。

　　以上我們介紹了電磁干擾的一些分類(lèi)，下面我們介紹如何來(lái)抑制電磁干擾

　　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(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)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(qiáng)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(gòu)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。

　　一、抑制干擾源

　　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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、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(zhuǎn)裝置抑制電路、穩(wěn)壓電路等;器件的選擇則盡可能采用低噪聲、高頻特性好、穩(wěn)定性高的電子元件。要注意，抑制電路中不適當(dāng)?shù)钠骷x擇可能會(huì)產(chǎn)生新的干擾源。

　　二、切斷電磁干擾耦合途徑

　　電磁干擾耦合途徑主要為傳導(dǎo)和輻射兩種。噪聲經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)直接耦合到電路中最常見(jiàn)的。抑制傳導(dǎo)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(jù)信號(hào)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(yuǎn)高于信號(hào)頻率，常采用LC低通濾波器，這種濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，濾除噪聲效果也較好。但是對(duì)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(jié)構(gòu)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(duì)于通過(guò)供電電源線(xiàn)傳導(dǎo)的噪聲可以用電源濾波器來(lái)濾除。只符合VDE0871標(biāo)準(zhǔn)的電源濾波器在30K-30MHZ范圍內(nèi)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(yīng)根據(jù)輸入及負(fù)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(fù)載端接濾波器高阻端;反之亦然。

　　對(duì)傳輸線(xiàn)路及印刷電路板的布線(xiàn)設(shè)計(jì)，應(yīng)注意進(jìn)線(xiàn)與出線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)與電源線(xiàn)盡量分開(kāi)。對(duì)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(duì)于接口端，國(guó)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(gòu)成濾波電路，其特點(diǎn)是不占用。PCB空間，不增加體積，這對(duì)于現(xiàn)代元件高密度設(shè)計(jì)極為重要。最近，國(guó)內(nèi)也有廠(chǎng)家生產(chǎn)，質(zhì)量不低于國(guó)外水平，可以替代進(jìn)口。

　　對(duì)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(dāng)?shù)钠帘尾牧?，在適當(dāng)?shù)奈恢闷帘?，?duì)屏蔽效果至關(guān)重要。尤其是屏蔽室的設(shè)計(jì)?？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(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電膠、導(dǎo)電玻璃等等。應(yīng)根據(jù)需要選擇。屏蔽室的設(shè)計(jì)應(yīng)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)。

　　三、降低電磁敏感裝置的敏感度

　　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(duì)信號(hào)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(jù)具體情況采用降額設(shè)計(jì)、避設(shè)計(jì)、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(duì)于電磁干擾的抑制方法很多，可以選擇一種或多種綜合運(yùn)用。但不論選擇什么方法都應(yīng)從設(shè)計(jì)之初就著手系統(tǒng)電磁兼容性的考慮，而不是亡羊補(bǔ)牢。