電子系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)

【摘要】：現(xiàn)代電子設(shè)備都是在復(fù)雜電磁環(huán)境下運(yùn)行的。針對(duì)電磁干擾常導(dǎo)致電子設(shè)備故障甚至安全事故，探討了電子系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)。文中對(duì)電磁干擾源作了剖析，論述了電磁兼容性設(shè)計(jì)理念，研究了抗電磁干擾的設(shè)計(jì)機(jī)理，針對(duì)電子設(shè)備常出現(xiàn)的故障，提出了抗電磁干擾的技術(shù)措施。以某控制設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)采取的具體技術(shù)措施為例，驗(yàn)證了抗電磁干擾的良好效果，顯著提高了控制設(shè)備的安全可靠性。工程實(shí)踐表明，最重要的抗電磁干擾技術(shù)措施是系統(tǒng)的良好接地和屏蔽以及合理布線。

隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)備應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電子系統(tǒng)的集成度越來(lái)越高，但是在復(fù)雜電磁環(huán)境下，電子系統(tǒng)對(duì)電磁干擾有明顯的敏感性和脆弱性。為了減少故障并杜絕事故的發(fā)生，必須對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)。只要電子電氣設(shè)備通電就會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，電生磁，磁生電，因此電磁環(huán)境是非常復(fù)雜的，一方面要求使用電子設(shè)備時(shí)對(duì)周?chē)碾姶怒h(huán)境不造成污染，另一方面也要求該電子設(shè)備在現(xiàn)實(shí)電磁環(huán)境應(yīng)用中不至于性能下降或發(fā)生故障以致產(chǎn)生嚴(yán)重事故。因此必須對(duì)電子設(shè)備的電磁兼容性進(jìn)行研究，對(duì)電磁導(dǎo)致的干擾進(jìn)行控制與防護(hù)?；陔姶偶嫒菪栽O(shè)計(jì)的重要性，以下對(duì)相關(guān)問(wèn)題作某些探討。

1 常見(jiàn)的電磁干擾現(xiàn)象及其分析

電磁及其感應(yīng)現(xiàn)象是普遍存在的，因此電子系統(tǒng)的電磁工作環(huán)境是非常復(fù)雜的。從工程應(yīng)用角度，電磁干擾按工作頻率的不同可將其進(jìn)行分類(lèi)。例如，一般電網(wǎng)中普遍存在諧波信號(hào)電壓波動(dòng)、電網(wǎng)頻率變化與低頻感應(yīng)電壓、電網(wǎng)電壓不平衡、電網(wǎng)供電波動(dòng)短暫下降與短時(shí)間中斷等導(dǎo)致的低頻傳導(dǎo)干擾，磁場(chǎng)與電場(chǎng)的低頻輻射干擾;由于感應(yīng)連續(xù)波電壓電流的振蕩瞬變與單向瞬變引起的高頻傳導(dǎo)干擾，電磁場(chǎng)（連續(xù)波、瞬態(tài)）與磁場(chǎng)、電場(chǎng)導(dǎo)致的高頻輻射干擾;由于材料的絕緣性能導(dǎo)致的靜電放電干擾等。上述提及的干擾包含了工程應(yīng)用中絕大多數(shù)的電磁干擾現(xiàn)象。

在對(duì)電子系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾性能分析時(shí)，必須對(duì)導(dǎo)致系統(tǒng)的固有特性及其應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行綜合分析。電子電路系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的電磁干擾類(lèi)型有：例如，由于存在電路回路的公共阻抗耦合，因而導(dǎo)致電路性的相互干擾;由于干擾源與干擾對(duì)象之間存在著變化的電場(chǎng)，通過(guò)電容耦合可能形成電容性干擾，因其會(huì)產(chǎn)生干擾電壓; 空間電磁波的電、磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，可能產(chǎn)生感電勢(shì)導(dǎo)致的傳導(dǎo)電流和傳導(dǎo)電壓的干擾;在交變磁場(chǎng)干擾源中，電流變化可能導(dǎo)致在電感性元件上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，因而產(chǎn)生電感性干擾等等。

2 電磁兼容性及其設(shè)計(jì)機(jī)理

2.1 電磁兼容性

隨著電氣及電子設(shè)備在現(xiàn)代化生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，設(shè)備聯(lián)接越來(lái)越復(fù)雜，功率越來(lái)越大，數(shù)量急劇增加，對(duì)設(shè)備要求也越來(lái)越高，頻帶日益加寬，設(shè)備靈敏度更高， 因此電磁兼容性問(wèn)題變得更加重要。電磁兼容（EMC，ElectromagneTIcCompaTIbility）的涵義是指處于電磁環(huán)境中的電子系統(tǒng)， 任何其他事物都不可能對(duì)它構(gòu)成不能承受的電磁干擾能力，且設(shè)備或系統(tǒng)都能夠正常地工作。電磁兼容技術(shù)涉及通信、計(jì)算機(jī)、電子、生產(chǎn)、軍事以及生活的各個(gè)方面，是一門(mén)正在迅速發(fā)展的交叉學(xué)科。電磁兼容是研究在有限空間、有限時(shí)間與有限頻譜資源條件下，不同設(shè)備相互之間可以共存而不致相互影響的科學(xué)。由上述電磁兼容定義可知，電磁兼容的涵義包括：設(shè)備對(duì)周?chē)渌O(shè)備不產(chǎn)生不能承受的干擾，其本身也不受其他設(shè)備干擾的影響。電磁兼容性研究涉及多個(gè)方面，首先是對(duì)電磁干擾源自身特性的研究;其次，電磁發(fā)射強(qiáng)度、干擾機(jī)理與電磁干擾抑制方法以及電磁干擾的時(shí)頻域特性等方面的研究，第三，特別值得注意的是設(shè)備自身抗電磁干擾性能的研究;最后，如何評(píng)價(jià)電磁輻射與傳導(dǎo)特性等電磁兼容性，采用什么設(shè)備與測(cè)量方法對(duì)電磁干擾進(jìn)行測(cè)量，如何處理測(cè)量數(shù)據(jù)與測(cè)量結(jié)果。從更大范圍考慮，它還涵蓋了系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間的電磁兼容性。電磁兼容性研究?jī)?nèi)容包括自然及人為電磁干擾源，如閃電現(xiàn)象與靜電放電就是自然電磁干擾源，干擾源的測(cè)量包括開(kāi)闊場(chǎng)地、輻射、傳導(dǎo)與脈沖干擾的測(cè)量（電浪涌、快速瞬變脈沖群與靜電放電），在實(shí)現(xiàn)電磁兼容性的技術(shù)方面有屏蔽、接地、綁接與濾波等，也包括采用特殊設(shè)計(jì)技術(shù)以抑制電磁干擾。

2.2 抗電磁干擾設(shè)計(jì)機(jī)理

要構(gòu)成電磁干擾必須同時(shí)具備三個(gè)條件：其一，必須有干擾源存在，沒(méi)有干擾源存在，顯然不可能對(duì)設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾;其二，有傳播電磁干擾的通道存在，否則不可能形成對(duì)設(shè)備的電磁干擾;其三，設(shè)備要能夠接受到干擾信號(hào)，并直接影響到設(shè)備的正常工作，因此即使設(shè)備接受到了干擾，如果采取技術(shù)措施可消除其對(duì)設(shè)備的干擾。例如，一個(gè)魯棒性很強(qiáng)的設(shè)備，是不會(huì)受到電磁干擾影響的?？闺姶鸥蓴_設(shè)計(jì)機(jī)理就是要采取電磁兼容性設(shè)計(jì)，使上述三個(gè)條件不同時(shí)具備，以達(dá)到提高設(shè)備抗電磁干擾的目的。

以電子設(shè)備抗干擾設(shè)計(jì)為例，因?yàn)樵O(shè)備中高頻干擾特別突出，首先是對(duì)設(shè)備發(fā)射的射頻能量進(jìn)行控制，使其盡可能地小以免干擾其它設(shè)備，其次，為了設(shè)備不受到外界干擾，必須盡量減小進(jìn)入該設(shè)備的射頻能量。電磁干擾可以借助輻射或者傳導(dǎo)傳輸兩種方式實(shí)現(xiàn)，如干擾源能量直接輻射到控制線、信號(hào)線與電源線進(jìn)入設(shè)備后，可通過(guò)公共信號(hào)、控制電纜或公共電源線等耦合途徑直接干擾設(shè)備的正常工作。因此，可在設(shè)備端口或敏感回路，采用共模或差?？垢蓴_措施，最大限度地減少對(duì)其影響，降低輻射與傳導(dǎo)的能量，提高設(shè)備的抗干擾性能，其抗電磁干擾設(shè)計(jì)機(jī)理就是杜絕同時(shí)滿(mǎn)足上述的三個(gè)必備條件［3-4］?；诖耍淇闺姶鸥蓴_設(shè)計(jì)的技術(shù)措施可以是各種各樣的，隨著技術(shù)的進(jìn)步，可采取的技術(shù)措施會(huì)越來(lái)越豐富，以保證設(shè)備設(shè)計(jì)的電磁兼容性。

3 抗干擾設(shè)計(jì)策略

抗電磁干擾設(shè)計(jì)就是在復(fù)雜電磁頻譜環(huán)境下，采用綜合技術(shù)措施以保障電子設(shè)備正確發(fā)揮效能。按照抗電磁干擾設(shè)計(jì)機(jī)理，首先是抑制干擾源以防范電磁干擾;其次是采取防電磁干擾措施，以阻斷干擾傳播途徑;最后，是降低電子設(shè)備對(duì)干擾的敏感度，或者提高電子設(shè)備的魯棒性性能，以預(yù)防與抑制電磁干擾。針對(duì)電子系統(tǒng)的電纜接插件、印制板布局、信號(hào)布置，抑制干擾布線、元器件、濾波器、接地與旁路等環(huán)節(jié)可能引入的電磁干擾信號(hào)，可采用隔離、電路阻抗控制、濾波、解耦、密封、接地、屏蔽、正確布線等抗電磁干擾措施。

3.1 PCB版的合理布局與布線設(shè)計(jì)

在電路布局方面，電源、模擬與數(shù)字電路的元件布局和布線是不同的，在元件布局時(shí)應(yīng)將其分別放置，應(yīng)將高、低頻電路分開(kāi)，盡可能將其各自隔離，注意信號(hào)傳輸方向、途徑以及強(qiáng)、弱信號(hào)的器件分布相互之間不要產(chǎn)生干擾。對(duì)于容易產(chǎn)生噪聲干擾的電路，如時(shí)鐘發(fā)生器、晶振與CPU 時(shí)鐘等的輸入端等，應(yīng)當(dāng)相互盡可能地靠近些，以便于合理布局整個(gè)PCB版，減少干擾源。強(qiáng)弱電流不同的電路與易產(chǎn)生噪聲的器件應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離邏輯電路。最大限度地減少信號(hào)通路與電路元件布局中無(wú)用信號(hào)的相互耦合。為避免模擬、數(shù)字電路產(chǎn)生公共阻抗耦合，將低電平的模擬與數(shù)字電路分開(kāi)，并且遠(yuǎn)離無(wú)濾波的電源和高電平信號(hào)線;在PCB版布局上，應(yīng)將不同的高、中、低速邏輯電路分別布局于不同的區(qū)域，確保同層相鄰布線、同板相鄰層、相鄰板之間的平行信號(hào)線盡可能長(zhǎng)度最小;EMI濾波器放置于同一線路板并盡可能靠近EMI源;整流器、DC/DC變換器與開(kāi)關(guān)元件與變壓器的放置位置應(yīng)當(dāng)盡可能地靠近以縮短導(dǎo)線長(zhǎng)度。濾波電容器、調(diào)壓元件與整流二極管的放置位置也應(yīng)當(dāng)盡可能地靠近，以減少對(duì)外部的干擾;噪聲與非噪聲元件盡量遠(yuǎn)離，將印刷電路板按電流開(kāi)關(guān)特性與頻率分區(qū)， 杜絕大電流、高速開(kāi)關(guān)線與噪聲敏感布線相互平行。

在PCB版電路布線方面，為了提高電磁兼容性，可以采取以下的布線策略：為避免集中電場(chǎng)耦合到較強(qiáng)噪聲的相鄰路徑，在轉(zhuǎn)彎處路徑采用45°以避免直角布線;在傳送高頻與敏感信號(hào)路徑上不采用短截線，以避免在短截線上產(chǎn)生振蕩;保持從驅(qū)動(dòng)到負(fù)載的路徑寬度不變，以避免產(chǎn)生反射導(dǎo)致線路阻抗不平衡;在多個(gè)PCB板地線連接時(shí)，為了避免短截線信號(hào)路徑，必須杜絕采用樹(shù)型排列的高速和敏感信號(hào)線，同樣也要杜絕輻射型排列的高速和敏感信號(hào)線，以避免產(chǎn)生反射和輻射干擾;密集的電源和地層過(guò)孔會(huì)導(dǎo)致電源阻抗增加，電源在該點(diǎn)形成高阻抗，影響射頻電流傳遞，因此應(yīng)當(dāng)避免過(guò)孔密度過(guò)大;所有敷銅區(qū)直接連接到地，避免敷銅區(qū)變成輻射天線;除上述常用的布線策略外，其它布線策略這里就不討論了。

3.2 接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)是復(fù)雜的，要考慮的因素很多。電磁屏蔽有利于電磁干擾的相互隔離，在電子設(shè)備中，如將屏蔽與接地結(jié)合使用，那么電子設(shè)備中的絕大部分電磁干擾問(wèn)題是可以獲得解決的。為了使接地系統(tǒng)的接地阻抗最小，接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以采用以下技術(shù)措施。

① 接地點(diǎn)選擇。低頻電路中電感影響較小，為避免多點(diǎn)接地形成環(huán)流導(dǎo)致干擾，在工作于1MHz頻率以下時(shí)，應(yīng)采用單點(diǎn)接地。高頻電路中電感影響較大，在工作于10MHz頻率以上時(shí)，可采用就近多點(diǎn)接地，地線應(yīng)短而粗，以降低地線阻抗。

② 數(shù)字電路與模擬電路接地必須嚴(yán)格分開(kāi)，并且分別與電源端地線相連，兩者地線不可以相混，此外，還要注意盡量加大模擬電路的接地面積，以減少接地阻抗。

③ 由于導(dǎo)體電感與導(dǎo)體長(zhǎng)度成正比而與直徑成反比，因此接地線應(yīng)盡量短而粗，使其可通過(guò)三倍于印刷線路板的允許電流，以提高抗噪能力。

④ 數(shù)字電路的接地線應(yīng)當(dāng)構(gòu)成閉環(huán)路，避免耗電量大時(shí)加大電位差值，以提高PCB抗噪聲能力。

⑤ 為了減少接地阻抗，將多層線路板的其中一層作為接地層并起屏蔽作用，一般將印刷板周邊布作地線。

⑥ 在電源板面和接地板面的絕緣薄層間存在電容，將其放置在相鄰層可構(gòu)成去耦電容，從而提高高頻率響應(yīng)特性。

⑦ 低速電路和元件的分布與放置應(yīng)當(dāng)盡量使其靠近電源面，而高速電路和元件的分布與放置應(yīng)當(dāng)盡量使其靠近接地面。

⑧ 多電源供電時(shí)，各個(gè)電源應(yīng)當(dāng)分開(kāi)接地。

電子設(shè)備接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有多種接地方式，如數(shù)字系統(tǒng)（邏輯地）和模擬系統(tǒng)接地，機(jī)殼接地（屏蔽地）與系統(tǒng)接地等，接地技術(shù)在多層與單層PCB板中都有廣泛應(yīng)用，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)接地阻抗的最小化，減少接地回路電勢(shì)的不良影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)備更新?lián)Q代越來(lái)越快，電磁兼容性設(shè)計(jì)變得更加重要。但是電子設(shè)備設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)表明，如將屏蔽與接地措施結(jié)合使用，就可對(duì)外部產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行抑制，解決電子設(shè)備中的絕大部分電磁干擾問(wèn)題。

作者：周?chē)?guó)清 《西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》 2014年08期