優秀模擬工程師必備(一):電磁干擾(EMI)

　　所謂的電磁干擾，廣義來說，一切進入信道或通信系統的非有用信號，均稱之為電磁干擾。電磁干擾已經深入到我們日常的生活。例如，觀看電視時，附近有人使用電鉆、電吹風等電器，會使電視畫面出現雪花點，所聲器里發出剌耳的噪聲……等等。這類現象人們早已司空見慣、習以為常了，但是電磁干擾的危害卻遠不止如此。事實上，電磁干擾已使民航系統失效、通信不暢、計算機運行錯誤、自控設備誤動作等，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

　　現代的電子產品，功能越來越強大，電子線路也越來越復雜，電磁干擾(EMI)和電磁兼容性問題變成了主要問題，電路設計對設計師的技術水平要求也越來越高。電磁干擾一般都分為兩種，傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合(干擾)到另一個電網絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網絡。因此對EMC問題的研究就是對干擾源、耦合途徑、敏感設備三者之間關系的研究。

　　美國聯邦通訊委員會在1990年、歐盟在1992提出了對商業數碼產品的有關規章，這些規章要求各個公司確保他們的產品符合嚴格的磁化系數和發射準則。符合這些規章的產品稱為具有電磁兼容性。

　　目前全球各地區基本都設置了EMC相應的市場準入認證，用以保護本地區的電磁環境和本土產品的競爭優勢。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認證等都是進入這些市場的“通行證”。

　　電磁感應與電磁干擾

　　很多人從事電子線路設計的時候，都是從認識電子元器件開始，但從事電磁兼容設計實際上應從電磁場理論開始，即從電磁感應認識開始。

　　一般電子線路都是由電阻器、電容器、電感器、變壓器、有源器件和導線組成，當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生電場，當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生電場，通過電場感應，兩個極板會產生充放電，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，而只是對電容器進行充放電。當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生感應。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體中都會產生位移電流(當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。一根數米長的導線，當其流過數安培的電流時，其兩端電壓最多也只有零點幾伏，即幾十毫伏/米的電場強度，就可以在導體內產生數安培的電流，可見電場作用效力之大，其干擾能力之強。

　　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電流，這個感應電流是因為變壓器初級線圈中有電流流過時，產生磁感應而產生的。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線圈，當電感器和變壓器漏感產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”就會產生感應電流。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生電磁感應，即互相產生干擾。

　　在電子線路中只要有電場或磁場存在，就會產生電磁干擾。在高速PCB及系統設計中，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。

　　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行劃分：

　　按照發生源劃分

　　按照傳播路徑劃分

　　按照輻射干擾的產生原因劃分

　　按照不同設備的工作原理劃分

　　按照發生的頻率劃分

　　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一步分類。根據發生源可將干擾細分如圖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 內部干擾源類別

　　從受干擾方面來看,外來噪聲是外界干擾,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。

　　造成開關電源質量下降的干擾分為：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(開關干擾,振蕩,再生噪聲)。

　　按發生的頻率分為：突發干擾,脈沖干擾,周期性干擾,瞬時干擾,隨機干擾,跳動干擾。

　　造成交流電源質量下降的干擾分為：高次諧波干擾,保護繼電器,開關的震顫干擾,雷電涌,尖峰脈沖干擾,噴射環電弧,瞬時浪涌。

　　將來可能會將下面這些項目歸入到交流干擾內：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,帶來經濟和人員傷害。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。

　　簡而言之,EMC是“不發干擾,不受干擾”。現在國內外都在研究開發EMC技術,并應用于電氣電子設備的制造中。