電磁干擾(EMC)的產(chǎn)生以及抑制

 　　一、電磁騷擾什么場(chǎng)合最多，它們是怎樣產(chǎn)生的?

　　電磁騷擾最多的場(chǎng)合如下：高速數(shù)字信號(hào)線(xiàn)路、開(kāi)關(guān)電路、脈沖發(fā)生電路和大功率控制電路等在極短的時(shí)間內(nèi)電壓電流急速變化的場(chǎng)合，所含有電感和電容的電路通斷的場(chǎng)合。

　　另外，磁場(chǎng)、電場(chǎng)、電荷等電量急速變化時(shí)，同樣產(chǎn)生電磁騷擾。

　　開(kāi)關(guān)動(dòng)作的電路中，電壓 / 電流的增大或衰減時(shí)間 t 越短，則噪聲的帶寬越寬;急速變化的電壓 V 及電流 I 的幅值越大，則噪聲的幅度越大。

　　特別是在電感性負(fù)載的電路中，電路從通轉(zhuǎn)換成斷的瞬間，容易產(chǎn)生如圖 1 所示的斷續(xù)的電磁干擾。圖中的噪聲波形由小逐漸變大，這對(duì)應(yīng)了開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)之間的距離由小到大的過(guò)程。

　　所示的電路中，直流電壓 VD 在 L 和 R 串聯(lián)的負(fù)載上產(chǎn)生電流 I 時(shí)，開(kāi)關(guān) S 從通轉(zhuǎn)換成斷的瞬間，在 L 兩端產(chǎn)生比 VD 大數(shù)十倍、有時(shí)上百倍的極性相反的尖峰電壓(稱(chēng)為電感反沖電壓)。

　　當(dāng) L 兩端有寄生電容 C0 時(shí)，會(huì)有以下現(xiàn)象：

　　當(dāng) C0=100pF 時(shí)，產(chǎn)生約 - 848V ， 225kHZ 的振蕩;

　　當(dāng) C0 可以忽略時(shí)，將達(dá)到 - 6000V ;

　　寄生電容越大，電感兩端的電壓越低，振蕩頻率也越低。

　　實(shí)際電路中，即使在電感 L 兩端連接電容器，因?yàn)殡娙萜饕€(xiàn)電感的影響，不會(huì)得到電容器的最佳效果，衰減振動(dòng)波形的下降部分 d υ /dt 變大，剩下高頻部分。

　　電容器必須是耐高壓的，否則有可能被破壞。

　　是利用鎮(zhèn)流器兩端產(chǎn)生的高壓點(diǎn)燃日光燈的電路。它所產(chǎn)生的振蕩高壓一旦傳入其他電器設(shè)備，舊會(huì)成為騷擾。

　　是針對(duì)繼電器觸點(diǎn)跳躍產(chǎn)生的噪聲使用抗干擾變壓器的效果。

　　二、那些方法能夠減小電磁騷擾?

　　減小電磁騷擾的方法有屏蔽、濾波、電路設(shè)計(jì)、線(xiàn)路板布線(xiàn)等。

　　屏蔽：用金屬材料將機(jī)箱內(nèi)部產(chǎn)生噪聲封閉起來(lái)的方法稱(chēng)為屏蔽。屏蔽對(duì)防止外部噪聲進(jìn)入機(jī)箱也是同樣有效的。電場(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽的方法是不同的。

　　電場(chǎng)屏蔽中用導(dǎo)體將噪聲源包圍起來(lái)，然后接地，舊能達(dá)到屏蔽的目的。并且，由于導(dǎo)體表面的反射損耗很大，因此很薄的材料(鋁箔、銅箔)也有很好的屏蔽效果。另外，機(jī)箱上即使有縫隙，也不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。

　　磁場(chǎng)屏蔽中，直流磁場(chǎng) / 低頻磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)的屏蔽方法是不同的。直流磁場(chǎng) / 低頻磁場(chǎng)的屏蔽需要用厚的高導(dǎo)磁率材料包圍起 濾波：將有用信號(hào)和噪聲分離開(kāi)，濾除噪聲的器件。根據(jù)電路原理，有用扼流圈阻止噪聲的方法，用電容旁路噪聲的方法，和兩者結(jié)合的方法，如圖7 所示。

　　電路設(shè)計(jì)：由于時(shí)鐘頻率越高，高頻能量輻射越強(qiáng)，因此在數(shù)字電路中不要使用過(guò)高的時(shí)鐘頻率。線(xiàn)路板上的總線(xiàn)、較大的環(huán)路面積和較長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)都是強(qiáng)輻射源，因此，除非必要，要盡量避免這些情況的出現(xiàn)。使用大規(guī)模集成電路能夠大幅度減少線(xiàn)路板上走線(xiàn)，從而減小輻射。在選用集成電路時(shí)，也有些問(wèn)題需要注意。例如，高速 MOS 電路在高頻使用時(shí)，消耗功率較大，并且由于輸出電壓幅度較高，低頻段的高次諧波較強(qiáng)，這些都會(huì)導(dǎo)致較強(qiáng)的輻射。高速肖特基電路由于脈沖上升時(shí)間很短，因此會(huì)在很高的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生輻射。在功能允許的條件下，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)型電路。

　　線(xiàn)路板：線(xiàn)路板上的走線(xiàn)是主要的輻射源。走線(xiàn)產(chǎn)生輻射主要是由于邏輯電路中電流的突變，在導(dǎo)線(xiàn)的電感上產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，這個(gè)電壓會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射。另外，由于導(dǎo)線(xiàn)其著輻射天線(xiàn)的作用，因此導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，輻射的效率越高。因此，線(xiàn)路板布線(xiàn)的基本原則是，減小導(dǎo)線(xiàn)的電感，例如使用最短的走線(xiàn)，電流較大的電源線(xiàn)和地線(xiàn)要粗一些。圖 2 是一個(gè)鎖相環(huán)路的實(shí)例。( a )是采取措施前的情況，( b )是采取措施以后的情況。所采取的措施包括將集成電路之間的聯(lián)線(xiàn)縮短為 1/2 ，地線(xiàn)改為地線(xiàn)網(wǎng)格。

　　三、電纜產(chǎn)生的噪聲是共模的還是差模的?

　　電纜產(chǎn)生的噪聲兩者都有。電子設(shè)備中噪聲有從信號(hào)電纜和電源電纜上產(chǎn)生的傳導(dǎo)噪聲和空間輻射的輻射噪聲兩大類(lèi)。這兩大類(lèi)中有分為共模噪聲和差模噪聲兩種。

　　差模傳導(dǎo)噪聲是電子設(shè)備內(nèi)噪聲電壓產(chǎn)生的與電源電流或信號(hào)電流相同路徑的噪聲電流，如圖 1 所示。減小這種噪聲的方法是在電源線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)上串聯(lián)電感(差模扼流圈)、并聯(lián)電容或用電感和電容組成低通濾波器，減小高頻的噪聲，

　　共模傳導(dǎo)噪聲是在設(shè)備內(nèi)噪聲電壓的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)過(guò)設(shè)備與大地之間的寄生電容，在電纜與大地之間流動(dòng)的噪聲電流，如圖 3 所示。減小共模噪聲的方法是在電源線(xiàn)或信號(hào)線(xiàn)中串聯(lián)電感(共模扼流圈)、在導(dǎo)線(xiàn)與地之間并聯(lián)電容器、使用 LC 濾波器，圖 4 所示。共模扼流圈是將電源線(xiàn)的火線(xiàn)和零線(xiàn)(或信號(hào)線(xiàn)和回流線(xiàn))同方向繞在鐵氧體磁芯上構(gòu)成的，它對(duì)線(xiàn)間流動(dòng)的差模電源電流和信號(hào)電流阻抗很小，而對(duì)兩根導(dǎo)線(xiàn)與地之間流過(guò)的共模電流阻抗很大。

　　差模輻射噪聲是電纜中的信號(hào)電流環(huán)路所產(chǎn)生的輻射。一般情況下，這種噪聲產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度與觀測(cè)點(diǎn)到電纜的距離成反比，與電流環(huán)路的面積和電流成正比，與頻率的平方成正比。因此，減小這種輻射的方法是在信號(hào)輸入端加 LC 低通濾波器阻止噪聲電流流進(jìn)電纜;使用扁平電纜或屏蔽電纜，在相鄰的導(dǎo)線(xiàn)中傳輸信號(hào)電流和回流電流，使環(huán)路面積減小。

　　共模輻射是由于電纜端口上有共模電壓，在這個(gè)共模電壓的驅(qū)動(dòng)下，從電纜到大地之間有共模電流流動(dòng)而產(chǎn)生的。輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度與觀測(cè)點(diǎn)到電纜的距離成反比，(當(dāng)電纜長(zhǎng)度比電流的波長(zhǎng)短時(shí))與電纜的長(zhǎng)度和頻率成正比。減小這種輻射的方法有：通過(guò)在線(xiàn)路板上使用地線(xiàn)網(wǎng)格或地線(xiàn)面降低地線(xiàn)阻抗，在電纜的端口處使用共模扼流圈或 LC 低通濾波器。另外，盡量縮短電纜的長(zhǎng)度和使用屏蔽電纜也能減小輻射。

　　四、接地線(xiàn)( Ground )與接大地( Earth )有什么不同?

　　在實(shí)際工作中，人們往往統(tǒng)稱(chēng)接地，并不區(qū)分兩者，但認(rèn)真追究起來(lái)，往往會(huì)發(fā)生概念的混亂。

　　一般，地線(xiàn)指做為電壓基準(zhǔn)點(diǎn)或面的電路或結(jié)構(gòu);有些人將大地算做地線(xiàn)一種，也有人不將大地算做地線(xiàn)的一種。

　　接大地的一個(gè)例子是，電氣設(shè)備的接地問(wèn)題。電氣設(shè)備的外殼接地后，即使電路與外殼之間的絕緣強(qiáng)度降低甚至破壞，也不會(huì)發(fā)生電擊傷害，而僅會(huì)將保險(xiǎn)燒斷。因此，電氣設(shè)備的接地是法律所規(guī)定的。

　　雖然電子設(shè)備為了正常工作而需要一個(gè)理想的基準(zhǔn)地線(xiàn)面，但是電子電路的地線(xiàn)與接大地沒(méi)有關(guān)系。計(jì)算器和便攜式收音機(jī)即使沒(méi)有接大地也能正常工作，不能接大地的飛機(jī)和飛船上搭載的各種電子設(shè)備利用飛機(jī) / 飛船的金屬外殼做地線(xiàn)面，也能夠正常工作。

　　雖然從抗雷電和靜電放電的角度，以及安全的角度，電子設(shè)備需要接大地，但是從電磁騷擾的角度看，大地可能形成地環(huán)路，對(duì)信號(hào)造成干擾。

　　在落地式的大型電子設(shè)備中，有將內(nèi)部電路連接到金屬機(jī)柜上的機(jī)柜地端子，也有為內(nèi)部電路地線(xiàn)電流提供的低阻抗通路的信號(hào)地端子。在簡(jiǎn)單設(shè)備的場(chǎng)合，機(jī)柜地與信號(hào)地在內(nèi)部連接起來(lái)，然后作為接大地端。兩臺(tái)設(shè)備與地板之間是絕緣的，信號(hào)端子與機(jī)柜接地分別在一點(diǎn)接地。這樣，流過(guò)設(shè)備的噪聲電流就不會(huì)流到信號(hào)地線(xiàn)上，因此不會(huì)造成電位基準(zhǔn)面的變動(dòng)。并且，由于各個(gè)信號(hào)端子分別接地，因此不會(huì)發(fā)生地線(xiàn)電流的相互干擾。