如何成为出色的模拟工程师(一):电磁干扰(EMI)

　　电子线路与电磁干扰的分析

　　现代的电子产品，功能越来越强大，电子线路也越来越复杂，电磁干扰(EMI)和电磁兼容性问题变成了主要问题，电路设计对设计师的技术水平要求也越来越高。电磁干扰一般都分为两种，传导干扰和辐射干扰。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络。因此对EMC问题的研究就是对干扰源、耦合途径、敏感设备三者之间关系的研究。

　　美国联邦通讯委员会在1990年、欧盟在1992提出了对商业数码产品的有关规章，这些规章要求各个公司确保他们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性。

　　目前全球各地区基本都设置了EMC相应的市场准入认证，用以保护本地区的电磁环境和本土产品的竞争优势。如：北美的FCC、NEBC认证、欧盟的CE认证、日本的VCCEI认证、澳洲的C-tick人证、台湾地区的BSMI认证、中国的3C认证等都是进入这些市场的“通行证”。

　　电磁感应与电磁干扰

　　很多人从事电子线路设计的时候，都是从认识电子元器件开始，但从事电磁兼容设计实际上应从电磁场理论开始，即从电磁感应认识开始。

　　一般电子线路都是由电阻器、电容器、电感器、变压器、有源器件和导线组成，当电路中有电压存在的时候，在所有带电的元器件周围都会产生电场，当电路中有电流流过的时候，在所有载流体的周围都存在磁场。

　　电容器是电场最集中的元件，流过电容器的电流是位移电流，这个位移电流是由于电容器的两个极板带电，并在两个极板之间产生电场，通过电场感应，两个极板会产生充放电，形成位移电流。实际上电容器回路中的电流并没有真正流过电容器，而只是对电容器进行充放电。当电容器的两个极板张开时，可以把两个极板看成是一组电场辐射天线，此时在两个极板之间的电路都会对极板之间的电场产生感应。在两极板之间的电路不管是闭合回路，或者是开路，在与电场方向一致的导体中都会产生位移电流(当电场的方向不断改变时)，即电流一会儿向前跑，一会儿向后跑。

　　电场强度的定义是电位梯度，即两点之间的电位差与距离之比。一根数米长的导线，当其流过数安培的电流时，其两端电压最多也只有零点几伏，即几十毫伏/米的电场强度，就可以在导体内产生数安培的电流，可见电场作用效力之大，其干扰能力之强。

　　电感器和变压器是磁场最集中的元件，流过变压器次级线圈的电流是感应电流，这个感应电流是因为变压器初级线圈中有电流流过时，产生磁感应而产生的。在电感器和变压器周边的电路，都可看成是一个变压器的感应线圈，当电感器和变压器漏感产生的磁力线穿过某个电路时，此电路作为变压器的“次级线圈”就会产生感应电流。两个相邻回路的电路，也同样可以把其中的一个回路看成是变压器的“初级线圈”，而另一个回路可以看成是变压器的“次级线圈”，因此两个相邻回路同样产生电磁感应，即互相产生干扰。

　　在电子线路中只要有电场或磁场存在，就会产生电磁干扰。在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其它系统或本系统内其他子系统的正常工作。

具体到“电磁干扰”,可以按照下面所列七类进行划分：

　　按照发生源划分

　　按照传播路径划分

　　按照辐射干扰的产生原因划分

　　按照不同设备的工作原理划分

　　按照发生的频率划分

　　按照频率范围划分

　　不同的交流电源

　　而且可以在每一类中进一步分类。根据发生源可将干扰细分如图1～图4。

　　图1 电磁干扰源类别

　　图2自然干扰源类别

　　图3人为干扰源类别

　　图4 内部干扰源类别

　　从受干扰方面来看,外来噪声是外界干扰,内部噪声是机内噪声。

　　除此之外,噪声按传递途径分类如图5所示。

　　图5 按照干扰传输路径分类

　　干扰传播的途径如图6所示。有通过电源线、信号线、地线、大地等途径传播的“传导干扰”,也有通过空间直接传播的“空间干扰”。

　　这些噪声并不独立存在,在传播过程中又会出现新的复杂噪声。

　　图6 干扰传播路径

　　造成数字电路工作不正常的干扰可分为：①电源干扰,②反射,③振铃(LC共振)：上冲、下冲,④状态翻转干扰,⑤串扰干扰(相互干扰、串音),⑥直流电压跌落。

　　造成开关电源质量下降的干扰分为：①出现在输出入端子上的干扰(电流交流声,尖峰脉冲噪声,回流噪声);②影响内部工作的干扰(开关干扰,振荡,再生噪声)。

　　按发生的频率分为：突发干扰,脉冲干扰,周期性干扰,瞬时干扰,随机干扰,跳动干扰。

　　造成交流电源质量下降的干扰分为：高次谐波干扰,保护继电器,开关的震颤干扰,雷电涌,尖峰脉冲干扰,喷射环电弧,瞬时浪涌。

　　将来可能会将下面这些项目归入到交流干扰内：瞬时停电,瞬时下降,频率变化,电压变化,高次谐波失真。

　　另外还干扰按频率分为：低频干扰,高频干扰。

　　如上所述,干扰可以分成很多类别,这些干扰既产生于电气电子设备,又干扰电气电子设备,造成设备的故障和停用,带来经济和人员伤害。为了使各种设备能够互不干扰,正常工作,应运而生了EMC技术。

　　简而言之,EMC是“不发干扰,不受干扰”。现在国内外都在研究开发EMC技术,并应用于电气电子设备的制造中。