電磁干擾及其解決措施

電磁干擾(Electromagnetic Interference, EMI)是指由于不規(guī)則電磁擾動而造成電子設備系統(tǒng)性能降低，要使電子或機電產(chǎn)品能夠有效工作，必須實現(xiàn)電磁兼容(Electronicmagnetic Compatible, EMC）。但是EMI問題往往是在完成產(chǎn)品設計之后才注意到，實際上應該在此之前首先考慮，以保證產(chǎn)品充分發(fā)揮其應有的性能。

EMI從發(fā)射源到達受干擾系統(tǒng)有兩種途徑：即傳導和輻射。兩者的區(qū)別在于前者沿導線傳播而后者是在空氣中傳播。一般來講輻射EMI的頻率要高于30MHz, 傳導EMI的頻率低于30MHz。

干擾信號有兩種形式：連續(xù)干擾信號和瞬時干擾信號。連續(xù)干擾持續(xù)時間大于1/60s(16.67ms），而瞬時干擾持續(xù)時間小于1/60s。連續(xù)干擾可有低頻和高頻兩種方式。低頻干擾源包括熒光燈、電機和開關模式直流電源等；高頻干擾一般是指射頻干擾(Radio-frequency Interference, RFI），通常源于無線電發(fā)射機、計算機時鐘和其它信號源。典型RFI環(huán)境下，干擾信號水平可在幾mV/m～300V/m之間，上限值一般只出現(xiàn)在高功率無線電臺或雷達站發(fā)射天線附近。任何大于1伏/米的干擾都會對未保護電路造成破壞。一般電子產(chǎn)品需要能夠承受10V/m的干擾，醫(yī)療和汽車設備為200V/m，而軍事設備要高達300-400V/m。與數(shù)字電路相比，模擬電路更容易受RFI影響，在較低的電磁信號下即受到干擾。瞬時干擾可以是重復或隨機的干擾，如電感器和電容器的放電即屬于瞬時重復干擾，瞬時隨機干擾可來源于靜電放電（electrostatic discharge, ESD）、雷電以及核電磁脈沖等。在有雷電時，高壓線路比低壓線路更容易受到影響，干擾可沿著供電線路傳到家庭或辦公室，損壞電路。

應對EMI有兩種措施：屏蔽和濾波。屏蔽是用來防止輻射干擾，其作用是在干擾RF信號到達被保護電路之前將其衰減。而濾波是用來防止傳導干擾，它具有雙向功效，既能防止干擾進入，也能防止漏出。通常高價位電器與低價位電器之間的區(qū)別主要在于其所采取的屏蔽手段。各種電子產(chǎn)品的屏蔽也不盡相同，有的采用鄰接方式，以凹凸槽將外殼拼接在一起。對于低頻輻射干擾，最低的要求如圖1所示，下半部分邊緣至少要和上半部分重疊4～6mm。對于高頻干擾信號，僅靠幾個螺絲固定來屏蔽是不夠的，應多加幾個，最低的原則是：兩個螺絲之間的距離不能超過干擾信號波長的一半，最好是1/8波長左右。

在不同情況下濾波有不同的意義，盡管也有一些高通和帶通濾波，多數(shù)EMI濾波都是低通的。有時干擾信號具有特定頻率，因而需要陷波濾波器。從理論上講，一個電容或電感器可以將干擾信號衰減20dB，最大可能有60～120dB，事實上達不到。電容濾波器多用于高阻抗電路，而電感濾波器多用于低阻抗電路。最簡單的濾波器是饋通電容濾波器，如果與好的屏蔽相配合，這樣的饋通電容濾波器已經(jīng)足夠了。

圖2所示為兩種在屏蔽板安裝饋通電容濾波器的方法，a為螺絲固定方式，螺母應緊緊地固定在底座。b為焊接方式，但屏蔽板不能是鋁材。如果需要更大程度的濾波，需要將L和C結合使用，典型的連接方式如圖3所示。a為內電容器輸入型，理論上能達到40dB也就是100：1的衰減，雖然對于LF和VHF衰減有所不同，但基本可以用于任何頻率的電路。為得到較好的濾波效果，引線應盡量短以避免信號的輻射。如果用第二個饋通電容器代替圖3a中的護孔圈（Grommet），就能夠實現(xiàn)更高一級的濾波，理論上這樣可以衰減60dB。圖3 b為外電感器輸入型，電感器或RF扼流器(RF choke)外接到底座，并且直接和饋通電容器相連。

在阻抗已知時，可用圖4所示的濾波器。如果輸入和輸出阻抗都很低，可用一個電感器或RF扼流器或者包含兩個電感器、一個電容器的T形濾波方式。 如果輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，此時可用一個電容輸入L形(L-section)濾波器。同樣如果輸入阻抗很低，而輸出阻抗很高，此時可用一個電感輸入L形濾波器。如果輸入、輸出阻抗都很高，可用一電容或Π形(Pi-section)濾波器。

產(chǎn)生干擾信號的電流有兩種形式：共模和差分，如圖5所示，共模和差分模式所需的濾波方式不同。差分模式中，需要在信號線（hot lead)串接一濾波器并接地；在共模模式，需要在所有相關的引線上使用相同的濾波方式。圖6為一種對共模和差分模式都適合的濾波方式。

AC電源線是傳導EMI的來源，必須最大程度地濾波。AC電源線濾波不僅要防止RFI，而且要防止遠處的雷電。防止雷電或其它高壓瞬時干擾可采用圖7所示的金屬氧化物變阻器(MOV），其作用相當于一對背靠背的齊納二極管。不論極性如何，它都能夠把高壓瞬時干擾降低。從另一個角度講，MOV 在低壓下像一個絕緣體，但在超過一定的電壓閾值后，變阻器呈現(xiàn)出低阻抗，將瞬時干擾電壓信號降低。MOV主要用于AC電源線上瞬間電壓擾動濾波。

圖8所示為對共模和差分RFI都適合的濾波器。用值足夠大的器件，可以在某種程度上防止雷電或其它瞬時干擾信號。

EMI問題存在于心電圖儀（electrocardiograph， ECG）、腦電圖儀(electroencephalograph，EEG)等醫(yī)療設備中，而這些設備需要在強干擾信號下處理僅幾個mV到1mV的信號。除RFI外，還有兩種其它干擾來源。第一是電震發(fā)生(或去纖震)器(defibrillator），源于使病人心臟正常起搏的電容性放電，可高達幾kV。第二來源于500～2500KHz的高功率RF 電外科設備（electrosurgery units），其電路中RF功率可高達400～500W，而這些距離電路ECG和EEG的信號電極僅有幾個cm，沒有適當?shù)臑V波這些設備難以正常工作。

圖9所示為一種濾波輸入電路，可用于保護處在高壓或強電磁場中的EEG、ECG等，采用這種濾波器后，上面提到高壓或高功率的電震發(fā)生器和電外科設備可與其它儀器同時使用。由于EEG和ECG中的信號都低于100Hz，因此這樣一低通RC濾波器已經(jīng)足夠。

電腦EMI是很嚴重的，放一個AM收音機在電腦附近，會聽到許多雜音。由于電腦時鐘已高達幾百MHz，對于FM收音機的干擾更大。圖10是一種連接數(shù)字引腳的解決辦法，正是這些引腳將EMI帶到電路板。鐵氧體環(huán)(ferrite beads）相當于一個小RF 扼流器，可除去VHF/UHF波段的RFI。由于此濾波方式是雙向的，因此也可同時防止進入和漏出的干擾信號。電腦系統(tǒng)主要的干擾信號來源于監(jiān)視器，這是因為兩個因素：第一，偏轉電路通常工作在小于40KHz的波段，這低于許多其它系統(tǒng)，并且有許多諧波；第二，偏轉電路通常功率很高?？赏ㄟ^電路屏蔽和在信號線上連接共模扼流器來防止這種干擾信號?！觯ㄐ鹿猓?/font>