電子系統(tǒng)中的電磁干擾射頻干擾和電磁脈沖的抑制方法解析

1、引言

隨著電子系統(tǒng)的日益精密、復(fù)雜及多功能化，電子干擾問(wèn)題日趨嚴(yán)重，它可使系統(tǒng)的性能發(fā)生變化、減弱，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)完全失靈。特別是EMI／RFI（電磁干擾／射頻干擾）問(wèn)題，已成為近幾年電子產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)。為此，不少國(guó)家的專業(yè)委員會(huì)相繼制定了法規(guī)，對(duì)電子產(chǎn)品的電磁波不泄露、抗干擾能力提出了嚴(yán)格規(guī)定，并強(qiáng)制執(zhí)行。

美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）于1983年頒布了20780文件，對(duì)計(jì)算機(jī)類器件的EMI進(jìn)行限制；德國(guó)有關(guān)部門(mén)頒布了限制EMI的VDE規(guī)范，在放射和輻射方面的約束比FCC規(guī)范更嚴(yán)格；歐洲共同體又在VDE規(guī)范中增加了RF抗擾性、靜電泄放和電源線抗擾性等指標(biāo)。FCC、VDE規(guī)范將電子設(shè)備分為A（工業(yè)類設(shè)備）和B（消費(fèi)類設(shè)備）兩類，具體限制如表1所示。

此外，還有一系列適用于電子EMI／RFI防護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)文件：MIL－STD－461、MIL－STD－462、MIL－STD－463、MIL－STD－826、MIL－E－6051、MIL－I－6181、MIL－I－11748、MIL－I－26600、MSFC－SPEC279等，所有這些法規(guī)性文件對(duì)電子系統(tǒng)的干擾防護(hù)起到了重大的作用。本文詳細(xì)討論了電子線路及系統(tǒng)中EMI／RFI的特征及其抑制措施。

2、EMI／RFI特性分析

電子系統(tǒng)的干擾主要有電磁干擾（EMI）、射頻干擾（RFI）和電磁脈沖（EMP）三種，根據(jù)其來(lái)源可分為外界和內(nèi)部?jī)煞N，每個(gè)電子電氣設(shè)備均可看作干擾源，這種干擾源不勝枚舉。EMI是在電子設(shè)備中產(chǎn)生的不需要的響應(yīng)；RFI則從屬于EMI；EMP是一種瞬態(tài)現(xiàn)象，它可由系統(tǒng)內(nèi)部原因（電壓沖擊、電源中斷、電感負(fù)載轉(zhuǎn)換等）或外部原因（閃電、核爆炸等）引起，能耦合到任何導(dǎo)線上，如電源線和電話線等，而與這些導(dǎo)線相連的電子系統(tǒng)將受到瞬時(shí)嚴(yán)重干擾或使系統(tǒng)內(nèi)的電子電路受到永久性損壞。圖1給出了常見(jiàn)EMI／RFI的干擾源及其頻率范圍。

圖1、常見(jiàn)干擾源及頻率范圍

2.1、干擾途徑

任何干擾問(wèn)題可分解為干擾源、干擾接收器和干擾的耦合途徑三個(gè)方面，即所謂的干擾三要素。如表2所示。

干擾信號(hào)是通過(guò)傳導(dǎo)（電路或系統(tǒng)的內(nèi)部連接，干擾源和接收器由導(dǎo)體連接）、輻射（寄生電感和寄生電容，干擾源和接收器相距大于數(shù)個(gè)波長(zhǎng)）和感應(yīng)（電容效應(yīng)與電感效應(yīng)，干擾源和接收器相距小于數(shù)個(gè)波長(zhǎng)）到達(dá)接收器。如果干擾信號(hào)的頻率小于30 MHz，主要通過(guò)內(nèi)部連接耦合；如果大于30 MHz，其耦合途徑是電纜輻射和連接器泄露；如果大于300 MHz，其耦合途徑是插槽和母板輻射。許多情況下，干擾信號(hào)是一寬帶信號(hào)，其耦合方式包括上述所有情形。

2.2、EMI特性分析

在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)從三個(gè)方面來(lái)考慮電磁干擾問(wèn)題：首先是電子系統(tǒng)產(chǎn)生和發(fā)射干擾的程度；其次是電子系統(tǒng)在強(qiáng)度為1～10 V／m、距離為3米的電磁場(chǎng)中的抗擾特性；第三是電子系統(tǒng)內(nèi)部的干擾問(wèn)題。

利用干擾三要素分析與EMI相關(guān)的問(wèn)題需要用FAT—ID概念。FAT—ID是描述任何EMI問(wèn)題固有特性的五個(gè)關(guān)鍵因素的縮寫(xiě)，這五個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是頻率、幅度、時(shí)間、阻抗和距離。實(shí)際上，信號(hào)的時(shí)間響應(yīng)包含了干擾頻譜響應(yīng)的所有信息。在數(shù)字系統(tǒng)中，信號(hào)上升時(shí)間和脈沖重復(fù)率產(chǎn)生的頻譜分量可根據(jù)下式計(jì)算：

將FAT—ID應(yīng)用于電子系統(tǒng)時(shí)，EMI輻射便成為信號(hào)上升時(shí)間和脈沖重復(fù)率的二次函數(shù)。
在EMI分析中的另一個(gè)重要參數(shù)是電纜的尺寸、導(dǎo)線及護(hù)套，這是因?yàn)?，?dāng)EMI成為關(guān)鍵因素時(shí)，電纜相當(dāng)于天線或干擾的傳輸器，必須考慮其物理長(zhǎng)度與屏蔽問(wèn)題。

內(nèi)部干擾是指系統(tǒng)內(nèi)部高速數(shù)字線路對(duì)敏感模擬線路和其它數(shù)字線路的影響，或電源噪聲對(duì)模擬／數(shù)字線路的污染。內(nèi)部干擾通常產(chǎn)生于數(shù)字和模擬電路之間，或驅(qū)動(dòng)器與數(shù)字線路之間。

2.3、RFI特性分析

現(xiàn)實(shí)生活中的無(wú)線電發(fā)射源是極其豐富的，如無(wú)線電臺(tái)、電視臺(tái)、移動(dòng)通信、計(jì)算機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電錘等等，數(shù)不勝數(shù)。所有這些電子活動(dòng)都會(huì)影響電子系統(tǒng)的性能。無(wú)論RFI的強(qiáng)度和位置如何，電子系統(tǒng)對(duì)RFI必須有一個(gè)最低的抗擾度。在通信、無(wú)線電工程中，抗擾度定義為設(shè)備承受每單位RFI功率強(qiáng)度的敏感度。在大多數(shù)RFI分析中，用電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)描述RFI激勵(lì)，即

式中E為電場(chǎng)強(qiáng)度（V／m）；PT為發(fā)送功率（mW／cm2）。

從“干擾源—耦合途徑—接收器”的觀點(diǎn)出發(fā)，電場(chǎng)強(qiáng)度E是發(fā)射功率、天線增益和距離的函數(shù)，即

式中GA為天線增益；d為電路或系統(tǒng)距干擾源的距離（m）。

由于模擬電路一般在高增益下運(yùn)行，對(duì)RF場(chǎng)比數(shù)字電路更為敏感，因此，必須解決μV級(jí)和mV級(jí)信號(hào)的問(wèn)題；對(duì)于數(shù)字電路，由于它具有較大的信號(hào)擺動(dòng)和噪聲容限，所以對(duì)RF場(chǎng)的抑制力更強(qiáng)。RF場(chǎng)可通過(guò)電感／電容耦合產(chǎn)生噪聲電壓或噪聲電流。

3、無(wú)源元件在EMI／RFI環(huán)境中的特性

無(wú)源元件的合理使用可減小EMI／RFI對(duì)電路或系統(tǒng)的影響，對(duì)于設(shè)計(jì)者，應(yīng)對(duì)抗干擾的主要工具--無(wú)源元件有足夠的了解，特別是它們的非理想作用。圖2給出了無(wú)源器件在電路中的非理想特性。

圖2、無(wú)源器件在電路中的非理想特性

可以看出，在很高頻率時(shí)，導(dǎo)線變成了反射線，電容變成了電感，電感變成了電容，電阻變成了共振電路。在低頻時(shí)，導(dǎo)線具有很低的電阻（＜0.0656Ω／m），但它的寄生電感約為0.079 nH／m，當(dāng)頻率大于13 kHz時(shí)，就變成了電感，由于電感的不可控性，最終使其變成一根發(fā)射線。根據(jù)天線理論可知，無(wú)端接的傳輸線將變成一個(gè)具有增益的天線。

4、低通濾波器在抑制EMI／RFI中的應(yīng)用

低通濾波器是一種很早就被人們采用的干擾凈化技術(shù)，對(duì)共模和差模噪聲有較強(qiáng)的抑制作用。圖3所示電路可用于防止模擬電路受EM場(chǎng)和RF場(chǎng)干擾。

圖3、模擬電路防止RFI的技術(shù)原理

可以看出，干擾的耦合途徑有信號(hào)輸入、信號(hào)輸出和電源供應(yīng)三個(gè)點(diǎn)，所以采用0.1μF的高頻陶瓷電容對(duì)所有的電源供應(yīng)端進(jìn)行退耦；采用截止頻率高于信號(hào)帶寬10～100倍的低通濾波器對(duì)所有的信號(hào)線進(jìn)行濾波。

對(duì)于低通濾波器，必須保證在預(yù)期的最高頻率段也是有效的，因?yàn)?，?shí)際的低通濾波器在高頻時(shí)會(huì)出現(xiàn)泄露現(xiàn)象，如圖4所示。這是由于寄生電容引起電感效率的損失，寄生電感引起電容效率的損失所造成的。對(duì)于低通濾波器（電感、電容組成），當(dāng)輸入信號(hào)頻率比濾波器截止頻率高100～1000倍時(shí)，就發(fā)生泄露現(xiàn)象。為此，一般不采用一級(jí)低通濾波器，而是分為低頻帶、中頻帶和高頻帶且每個(gè)頻帶單獨(dú)設(shè)置濾波器，如圖5所示。

圖4、低通濾波器在100～1000f3dB時(shí)的效率

圖5、多級(jí)濾波器

圖5中，低頻帶寬為10 kHz～1 MHz；中頻帶寬為1 MHz～100 MHz；高頻帶寬為100 MHz～1GHz。在低通濾波器中，如果存在任何對(duì)地阻抗，該阻抗便成為高頻噪聲的旁路路徑，因此，濾波器的地應(yīng)是寬頻帶且連接到低阻抗點(diǎn)或地線層上，以優(yōu)化濾波性能。另外，高頻電容的引腳應(yīng)盡可能短，最好采用低電感表面貼片式瓷片電容。

5、電源線的EMI／RFI抑制對(duì)策

電源線的EMI／RFI是由瞬變電壓引起的，因此，這類干擾的抑制對(duì)策主要是提高電路或系統(tǒng)對(duì)瞬變電壓的適應(yīng)能力。分析和實(shí)踐證明下述措施對(duì)提高電源抗干擾能力是有效的。

（1）在電源引入端加混合電源瞬變保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。

如圖6所示，氣體放電管和大功率齊納二極管提供差模與共模保護(hù)，在要求不高時(shí)，可用金屬氧化物壓敏電阻代替齊納二極管。扼流圈用來(lái)吸收浪涌電流。

圖6、混合電源瞬變保護(hù)網(wǎng)絡(luò)

（2）利用變壓器進(jìn)行隔離。變壓器對(duì)大于300ns的瞬變有很好的保護(hù)作用。但在具體應(yīng)用中應(yīng)注意，變壓器的連接方式不同，所構(gòu)成的保護(hù)模式也不同。一般由四種方式：1）采用無(wú)屏蔽的標(biāo)準(zhǔn)變壓器，且次級(jí)與安全地相連以消除中性點(diǎn)與地之間的壓差；2）采用單層法拉第屏蔽的變壓器，屏蔽與安全地連接以實(shí)現(xiàn)共模保護(hù)；3）采用單層法拉第屏蔽的變壓器，初級(jí)與中性線相連以實(shí)現(xiàn)差模保護(hù)；4）采用三層法拉第屏蔽的變壓器，可實(shí)現(xiàn)差模、共模保護(hù)，并能消除中性點(diǎn)與安全地之間的壓差。

（3）在電源的整流和穩(wěn)壓輸出端除加有大電容低頻濾波外，應(yīng)并接低容量無(wú)感高頻濾波電容器。其容量：
C＝ΔIΔl／Δu

式中ΔI--電源電流波動(dòng)的峰值；Δl--電流脈動(dòng)寬度；Δu--電源電壓波動(dòng)允許值。

（4）在每個(gè)電路模塊上電源線走線在接法上使其終端形成閉環(huán)，否則，在電源線終端相當(dāng)于開(kāi)路時(shí)，高頻干擾就會(huì)形成全反射，而使干擾信號(hào)成倍增加。

（5）盡量使電源線和地線平行走線，使電源線對(duì)地呈低阻抗以減小電源噪聲干擾。最好使用雙絞線饋電。

6、PCB設(shè)計(jì)中的EMI／RFI保護(hù)

印刷電路板上信號(hào)線的布設(shè)如何，將直接關(guān)系到系統(tǒng)對(duì)電磁干擾和電磁能輻射的靈敏度，一個(gè)不好的PCB設(shè)計(jì)很可能導(dǎo)致系統(tǒng)的EMC失敗。高頻噪聲在PCB上可能耦合、輻射的途徑有：電源線輻射、電源阻抗耦合、公共地阻抗耦合、I／O線的串?dāng)_與輻射。因此，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮抑制EMI／RFI。

（1）如果條件允許，應(yīng)盡可能采用低于實(shí)際要求速度的器件。因?yàn)?，器件速度越高，EMI問(wèn)題就越嚴(yán)重。對(duì)于納秒級(jí)的器件，由于它們具有寬帶寬，采樣時(shí)鐘和輸入對(duì)任何形式的高頻噪聲都會(huì)響應(yīng)。對(duì)于此類高速器件，可在其I／O端采用具有鐵氧體芯電感的小型濾波器以降低對(duì)EMI／RFI環(huán)境的敏感度。如果是雙極性供電，應(yīng)在正、負(fù)供電線上均加鐵氧體芯電感。

（2）電源層、地線層和信號(hào)層的合理設(shè)計(jì)。一個(gè)好的PCB布局應(yīng)將關(guān)鍵的模擬信號(hào)路徑與高頻源隔離、數(shù)字／模擬的高頻部分與低頻部分相互隔離。采用多層板可減小EMI發(fā)射，且對(duì)RF場(chǎng)的抗擾度要比雙面板增加10倍或更多。比較好的多層板排列是將信號(hào)線嵌入在電源層和地線層之間，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是低阻抗、低輻射、低串?dāng)_，可減小50MHz以上的輻射和串?dāng)_，但板內(nèi)容量小，退耦困難，嵌入信號(hào)線的測(cè)試與檢修困難。

（3）PCB中走線的特性阻抗。為了防止反射，要求PCB上走線的特性阻抗應(yīng)滿足單向傳輸延遲時(shí)間等于或大于信號(hào)上升／下降時(shí)間的一半。為此，一般應(yīng)采用2英寸／ns準(zhǔn)則。表3給出了常用數(shù)字邏輯基于2英寸／ns準(zhǔn)則的走線長(zhǎng)度。2英寸／ns準(zhǔn)則也適用于模擬電路的走線設(shè)計(jì)。

對(duì)于利用絕緣材料將信號(hào)層與電源／電線層隔離的PCB板的特性阻抗可用下式計(jì)算：

式中εr為PCB板材料介電常數(shù)；d為各層的厚度（mils）；w為線寬（mils）；t為線厚（mils）。

信號(hào)層走線的單向傳輸時(shí)間由下式確定：

例如：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)4層PCB板，一般利用0.021〃FR－4（εr＝4.7）型絕緣材料隔離，采用8mil寬、1.4 mil厚的銅層走線，其特性阻抗為88Ω，單向傳輸時(shí)間為1.7 ns／ft。

總之，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，必須按實(shí)際情況和可能大些，將信號(hào)線間隙用地線填充。電源和地線采用平行走線，有利于減小電感。
7、屏蔽技術(shù)

屏蔽技術(shù)可防止外部EMI／RFI對(duì)電路或系統(tǒng)的影響，但要正確應(yīng)用屏蔽技術(shù)，就必須清楚干擾源、環(huán)境、干擾源與被干擾對(duì)象之間的距離等問(wèn)題。如果電路或系統(tǒng)靠近干擾源，電磁場(chǎng)特性取決于干擾源；如果電路遠(yuǎn)離干擾源，電磁場(chǎng)特性取決于傳輸介質(zhì)。當(dāng)電路與干擾源的距離小于λ／2π（λ為干擾信號(hào)波長(zhǎng)）時(shí)，就認(rèn)為電路靠近干擾源，否則，認(rèn)為遠(yuǎn)離干擾源。

EMI／RFI對(duì)電路的影響與其特性阻抗有關(guān)，電磁場(chǎng)的特性阻抗（波阻抗）取決于電場(chǎng)和磁場(chǎng)之比。對(duì)于遠(yuǎn)電磁場(chǎng)，其電磁比率就是空氣的波阻抗（Z＝377Ω）；對(duì)于近電磁場(chǎng)，波阻抗取決于干擾的固有特性及距干擾源的距離，如果干擾是高電流低電壓，則磁場(chǎng)占主要地位，波阻抗小于377Ω，如果干擾是低電流高電壓，則電場(chǎng)起主要作用，波阻抗大于377Ω。通常采用封閉導(dǎo)體對(duì)電路進(jìn)行屏蔽，封閉導(dǎo)體對(duì)電路屏蔽的有效性取決于屏蔽材料表面對(duì)入射波的反射損耗和屏蔽體對(duì)內(nèi)部發(fā)射波的吸收損耗。對(duì)于電場(chǎng)，反射損耗取決于干擾頻率和屏蔽材料，即

適當(dāng)?shù)姆忾]屏蔽體對(duì)防止外部干擾和限制內(nèi)部干擾是很有效的，然而，在實(shí)際工程中，由于內(nèi)部電路中的調(diào)節(jié)旋紐、開(kāi)關(guān)、連接器及通風(fēng)大呢感原因，經(jīng)常需要在屏蔽體上開(kāi)設(shè)槽孔，這將削弱屏蔽性能，導(dǎo)致干擾進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部。這種情況下的屏蔽效率為：屏蔽效率

式中λ為干擾信號(hào)的波長(zhǎng)；L為槽孔的最大長(zhǎng)度。

當(dāng)屏蔽體哂納感所開(kāi)槽孔的最大長(zhǎng)度等于干擾頻率波長(zhǎng)的一半時(shí)，輻射最大，相當(dāng)于沒(méi)有屏蔽效果。為此，在屏蔽體上開(kāi)設(shè)槽孔時(shí)，其最大長(zhǎng)度要小于干擾信號(hào)波長(zhǎng)的1／20，同時(shí)應(yīng)在多個(gè)面開(kāi)設(shè)而不是在一個(gè)面開(kāi)設(shè)槽孔。

8、結(jié)論

在日益復(fù)雜的電磁環(huán)境下，如何減小相互間的電磁干擾，使各種設(shè)備和系統(tǒng)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。在采用不同的方法對(duì)EMI／RFI精心抑制時(shí)，應(yīng)分析其綜合效應(yīng)，并對(duì)所采用的干擾抑制手段的作用進(jìn)行恰當(dāng)?shù)念A(yù)估，才能獲得較理想的效果。