【導讀】近年來，電磁干擾問題越來越成為電子設備或系統(tǒng)中的一個嚴重問題，電磁兼容技術已成為許多技術人員和管理人員十分重視的內(nèi)容。本文分別從電磁騷擾的耦合機理、電磁干擾的模式、電磁屏蔽理論、接地設計、濾波設計等5個方面介紹了EMC，學會它們，就能幫你輕松解決EMC給你帶來的困擾。
第一部分 電磁騷擾的耦合機理
1、基本概念
電磁騷擾傳播或耦合，通常分為兩大類：即傳導騷擾傳播和輻射騷擾傳播。通過導體傳播的電磁騷擾，叫傳導騷擾；通過空間傳播的電磁騷擾，叫輻射騷擾。
上圖傳染病的模型非常近似：
2、 電磁騷擾的常用單位
騷擾的單位通用分貝來表示，分貝的原始定義為兩個功率的比：
通常用 dBm 表示功率的單位，dBm 即是功率相對于 1mW 的值：
通過以下的推導可知電壓由分貝表示為（注意有一個前提條件為 R1=R2)：
通常用 dBuV 表示電壓的大小，dBuV 即是電壓相對于 1uV 的值。
對于輻射騷擾通常用電磁場的大小來度量，其單位是 V/m。通常用的單位是dBuV/m。
3、傳導干擾
a、共阻抗耦合
由兩個回路經(jīng)公共阻抗耦合而產(chǎn)生，干擾量是電流 i，或變化的電流 di/dt。
當兩個電路的地電流流過一個公共阻抗時，就發(fā)生了公共阻抗耦合。我們在放大器中，級與級之間的一種耦合方式是“阻容”耦合方式，這就是一種利用公共阻抗進行信號耦合的應用。在這里，上一級的輸出與下一級的輸入共用一個阻抗。
由于地線就是信號的回流線，因此當兩個電路共用一段地線時，彼此也會相互影響。一個電路的地電位會受到另一個電路工作狀態(tài)的影響，即一個電路的地電位受另一個電路的地電流的調(diào)制，另一個電路的信號就耦合進了前一個電路。
對于兩個共用電源的電路也存在這個問題。解決的辦法是對每個電路分別供電，或加解耦電路。
b、容性耦合
在干擾源與干擾對稱之間存在著分布電容而產(chǎn)生，干擾量是變化的電場，即變化的電壓 du/dt。
c、感性耦合
在干擾源與干擾對稱之間存在著互感而產(chǎn)生，干擾量是變化的磁場，即變化的電流 di/dt。
當信號沿傳輸線傳播時，信號路徑與返回路徑之問將產(chǎn)生電場，圍繞在信號路徑和返回路徑周圍也有磁場。如圖所示，基板材料為FR4的50Ω微帶線橫截面上的電力線和磁力線，可見，這些場并不僅僅局限于微帶線的正下方，而是會延伸到周圍的空間。這些延伸出去的場稱為邊緣場。
邊緣場
根據(jù)電磁場基本理論，變化的電場產(chǎn)生感應電流，變化的磁場產(chǎn)生感應電壓。那么，當一個網(wǎng)絡（靜態(tài)網(wǎng)絡）的布線進入另一網(wǎng)絡（動態(tài)網(wǎng)絡）的邊緣場時，一旦動態(tài)網(wǎng)絡上的信號電壓和電流發(fā)生變化，將會引起邊緣場的變化，邊緣場的變化又將在靜態(tài)網(wǎng)絡上感應出噪聲電壓或電流，這就是串擾產(chǎn)生的物理根源。
這種兩個網(wǎng)絡之間通過場相互作用被稱做耦合，耦合又可以分為容性耦合和感性耦合，而把耦合電容和耦合電感分別稱做互容和互感。
互容和互感都對串擾有貢獻，但要區(qū)別對待。當返回路徑是很寬的均勻平面時，如PCB上的布線，容性耦合和感性耦合大體相當。因此，要精確預測耦合傳輸線的串擾，兩種因素都必須考慮。如果返回路徑不是很寬的均勻平面，比如引線，雖然容性耦合和感性耦合也都存在，但串擾主要來自于互感。這時，如果動態(tài)網(wǎng)絡上有一個快速變化的電流，如上升、下降沿，將會在靜態(tài)網(wǎng)絡上引起不可忽視的噪聲。
d. 共阻抗耦合干擾抑制方法
1）讓兩個電流回路或系統(tǒng)彼此無關。信號相互獨立，避免電路的連接，以避免形成電路性耦合。
2）限制耦合阻抗，使耦合阻抗愈低愈好，當耦合阻抗趨于零時，稱為電路去耦。為使耦合阻抗小，必須使導線電阻和導線電感都盡可能小。
3）電路去耦：即各個不同的電流回路之間僅在唯一的一點作電的連接，在這一點就不可能流過電路性干擾電流，于是達到電流回路間電路去耦的目的。
4）隔離：電平相差懸殊的相關系統(tǒng)（比如信號傳輸設備和大功率電氣設備之間），常采用隔離技術。
e. 容性耦合干擾抑制方法
為了抑制電容性干擾可以采取以下措施：
1）干擾源系統(tǒng)的電氣參數(shù)應使電壓變化幅度和變化率盡可能地小；
2）被干擾系統(tǒng)應盡可能設計成低阻；
3）兩個系統(tǒng)的耦合部分的布置應使耦合電容盡量小。例如電線、電纜系統(tǒng)，則應使其間距盡量大，導線短，避免平行走線；
4）可對干擾源的干擾對象進行電氣屏蔽，屏蔽的目的在于切斷干擾源的導體表面和干擾對象的導體表面之間的電力線通路，使耦合電容變得最小；
f. 感性耦合干擾抑制方法
1） 干擾源系統(tǒng)的電氣參數(shù)應使電流變化的幅度和速率盡量小；
被干擾系統(tǒng)應該具有高阻抗；
2）減少兩個系統(tǒng)的互感，為此讓導線盡量短，間距盡量大，避免平行走線，采用雙線結(jié)構(gòu)時應縮小電流回路所圍成的面積；
3）對于干擾源或干擾對象設置磁屏蔽，以抑制干擾磁場。
4）采用平衡措施，使干擾磁場以及耦合的干擾信號大部分相互抵消。如使被干擾的導線環(huán)在干擾場中的放置方式處于切割磁力線最小（環(huán)方向與磁力線平行），則耦合的干擾信號最小；另外如將干擾源導線平衡絞合，可將干擾電流產(chǎn)生的磁場相互抵消。
4、輻射干擾
a. 近場和遠場
干擾通過空間傳輸實質(zhì)上是干擾源的電磁能量以場的形式向四周空間傳播。場可分為近場和遠場。近場又稱感應場，遠場又稱輻射場。判定近場遠場的準則是以離場源的距離 r 也定的。
r>λ/2π 則為遠場
r<λ/2π 則為近場
我們常用波阻抗來描述電場和磁場的關系，波阻抗定義為
Zo=E/H
在遠場區(qū)電場和磁場方向垂直并且都和傳播方向垂直稱為平面波，電場和磁場的比值為固定值，為 Zo=120∏=377 歐。下圖為波阻抗與距離的關系。
b. 減少輻射干擾的措施
減小輻射干擾的措施主要有：
1） 輻射屏蔽：在干擾源和干擾對象之間插入一金屬屏蔽物，以阻擋干擾的傳播。
2） 極化隔離：干擾源與干擾對象在布局上采取極化隔離措施。即一個為垂直極化時，另一個為水平極化，以減小其間的耦合。
3） 距離隔離：拉開干擾源與被干擾對象之間的距離，這是由于志在近場區(qū)，場量強度與距離平方或立方成比例，當距離增大時，場衰減很快。
4） 吸收涂層法：被干擾對象有時可涂復一層吸收電磁波的材料，以減小干擾。
第二部分 電磁干擾的模式
1 共模干擾與差模干擾
共模干擾（Common-mode）：兩導線上的干擾電流振幅相等，而方向相同者稱為共模干擾。
差模干擾（Differential-mode）：兩導線上的干擾電流，振幅相等，方向相反稱為差模干擾。
共模(Common mode)是指存在于兩根或多根導線中，流經(jīng)所有導線的電流都是同極性的，差模(Differential mode)是指在導線對上的電流極性是相反的。
共模干擾的干擾電流在電纜中的所有導線上幅度／相位相同，它在電纜與大地之間形成回路流動，見圖(a)。差模干擾的干擾電流在信號線與信號地線之間流動，見圖(b)。
由于共模干擾與差模干擾的干擾電流在電纜上的流動方式不同，對這兩種干擾電流的濾波方法也不相同。因此在進行濾波設計之前必須了解所面對的干擾電流的類型。
2 PCB的輻射與線纜的輻射
1、PCB輻射
PCB上有許多信號環(huán)路，由中有差模電流環(huán)也有共模電流環(huán)，計算其輻射強度時，可等效為環(huán)天線，輻射強度由下式計算：
2、線纜的輻射
計算線纜的輻射強度時，將其等效為單極天線，其輻射強度由下式計算：
以上兩式可以看出線纜的輻射效率遠大于 PCB 的輻射效率。
第三部分 電磁屏蔽理論
1、 屏蔽效能的概念
屏蔽是利用屏蔽體來阻擋或減小電磁能傳輸?shù)囊环N技術，是抑制電磁干擾的重要手段之一。屏蔽有兩個目的，一是限值內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏出該內(nèi)部區(qū)域，二是防止外來的輻射干擾進入某一區(qū)域。
電磁場通過金屬材料隔離時，電磁場的強度將明顯降低，這種現(xiàn)象就是金屬材料的屏蔽作用。我們可以用同一位置無屏蔽體時電磁場的強度與加屏蔽體之后電磁場的強度之比來表征金屬材料的屏蔽作用，定義屏蔽效能（ShieldingEffectiveness，簡稱 SE）：
2、屏蔽體上孔縫的影響
實際上，屏蔽體上面不可避免地存在各種縫隙、開孔以及進出電纜等各種缺陷，這些缺陷將對屏蔽體的屏蔽效能有急劇的劣化作用。
上節(jié)中分析的理想屏蔽體在 30MHz 以上的屏蔽效能已經(jīng)足夠高，遠遠超過工程實際的需要。真正決定實際屏蔽體的屏蔽效能的因素是各種電氣不連續(xù)缺陷，包括：縫隙、開孔、電纜穿透等。
屏蔽體上面的縫隙十分常見，特別是目前機柜、插箱均是采用拼裝方式，其縫隙十分多，如果處理不妥，縫隙將急劇劣化屏蔽體的屏蔽效能。
1、孔縫屏蔽的總體設計思想
根據(jù)小孔耦合理論，決定孔縫泄漏量的因素主要有兩個：孔縫面積和孔縫最大線度尺寸。兩者皆大，則泄漏最為嚴重；面積小而最大線度尺寸大則電磁泄漏仍然較大。如圖所示為一典型機柜示意圖，上面的孔縫主要分為四類：
（1）機箱（機柜）接縫
該類縫雖然面積不大，但其最大線度尺寸即縫長卻非常大，由于維修、開啟等限制，致使該類縫成為電子設備中屏蔽難度最大的一類孔縫，采用導電襯墊等特殊屏蔽材料可以有效地抑制電磁泄漏。該類孔縫屏蔽設計的關鍵在于：合理地選擇導電襯墊材料并進行適當?shù)淖冃慰刂啤?/div>
為了避免電纜穿透對屏蔽體的影響，可以從幾個方面采取措施：
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（2）通風孔
該類孔面積和最大線度尺寸較大，通風孔設計的關鍵在于通風部件的選擇與裝配結(jié)構(gòu)的設計。在滿足通風性能的條件下，應盡可能選用屏效較高的屏蔽通風部件。
（3）觀察孔與顯示孔
該類型孔面積和最大線度尺寸較大，其設計的關鍵在于屏蔽透光材料的選擇與裝配結(jié)構(gòu)的設計。
（4）連接器與機箱接縫
這類縫的面積與最大線度尺寸均不大，但由于在高頻時導致連接器與機箱的接觸阻抗急劇增大，從而使得屏蔽電纜的共模傳導發(fā)射變大，往往導致整個設備的輻射發(fā)射出現(xiàn)超標，為此應采用導電橡膠等連接器導電襯墊。
由于輻射源分為近區(qū)的電場源、磁場源和遠區(qū)的平面波，因此屏蔽體的屏蔽性能依據(jù)輻射源的不同，在材料選擇、結(jié)構(gòu)形狀和對孔縫泄漏控制等方面都有所不同。在設計中要達到所需的屏蔽性能，則需首先確定輻射源，明確頻率范圍，再根據(jù)各個頻段的典型泄漏結(jié)構(gòu)，確定控制要素，進而選擇恰當?shù)钠帘尾牧希O計屏蔽殼體。
綜上所述，孔縫抑制的設計要點歸納為：
（1）合理選擇屏蔽材料；
（2）合理設計安裝互連結(jié)構(gòu)。
2、孔洞泄露的評估
機箱上不可避免地會有各種孔洞，這些孔洞最終決定了屏蔽體的屏蔽效能（假設沒有電纜穿過機箱）。一般可以認為，屏蔽機箱在低頻時的屏蔽效能主要取決于制造屏蔽體的材料，在高頻時的屏蔽效能主要取決于機箱上的孔洞和縫隙。當電磁波入射到一個孔洞時，孔洞的作用是相當于一個偶極天線。當縫隙的長度達到1/2時，其輻射效率最高（與縫隙的寬度無關）。也就是說，它可以入射到縫隙的全部能量輻射出去，如圖所示。
圖 孔縫的電磁泄漏
在遠場區(qū)，如果孔洞的最大尺寸L小于λ/2，一個厚度為0的材料上的縫隙的屏蔽效能為：
如果L大于λ/2，則SE=0（dB）。
式中SE──屏蔽效能（dB）；
L──孔洞的長度（mm）；
H──孔洞的寬度（mm）；
f──入射電磁波的頻率（MHz）。
這個公式計算的是最壞情況下（造成最大泄露的極化方向）的屏蔽效能，實際情況下屏蔽效能可能會更高一些。
在近場區(qū)，孔洞的泄露還與輻射源是磁場源有關。當輻射源是電場源時，孔洞的泄露比遠場小（屏蔽效能高）；而當輻射源是磁場源時，孔洞的泄露比遠場大（屏蔽效能低）。對于不同電路阻抗Zc的輻射源，計算公式如下：
若ZC＞（7.9/Df）：（電場源）
若ZC＜（7.9/Df）：（電場源）
式中SE──屏蔽效能（dB）；
L──孔洞的長度（mm）；
H──孔洞的寬度（mm）；
f──入射電磁波的頻率（MHz）。
這個公式計算的是最壞情況下（造成最大泄漏的極化方向）的屏蔽效能，實際情況下屏蔽效能可能會更高一些。
需要注意的問題是，對于磁場輻射源，孔洞在近場區(qū)的屏蔽效能與電磁波的頻率沒有關系，也就是說，很小的孔洞也可能導致較大的泄漏。這時影響屏蔽效能的一個更重要參數(shù)是孔洞到輻射源的距離。孔洞距離輻射源越近，泄漏越大。這個特點往往導致屏蔽體發(fā)生意外的泄漏。因為在屏蔽體上開孔的一個目的是通風散熱，這意味著會很自然地將孔洞設計在靠近發(fā)熱源附近，而發(fā)熱源往往是大電流的載體，在其周圍有較強的磁場。結(jié)果，無意識地將孔洞開在強磁場輻射源的附近。因此，在設計中，要注意孔洞和縫隙要遠離電流載體，例如線路板、電纜、變壓器等。
當N個尺寸相同的孔洞排列在一起，并且相距較近（距離小于λ/2）時，孔洞陣列的屏蔽效能會下降，下降數(shù)值為10lgN。
因為孔洞的輻射有方向性，因此在不同面上的孔洞不會明顯增加泄漏，利用這個特點可以在設計時將孔洞放在屏蔽機箱的不同面，避免某一個面的輻射過強。
3 電纜的屏蔽設計
如果導體從屏蔽體中穿出去，將對屏蔽體的屏蔽效能產(chǎn)生顯著的劣化作用。這種穿透比較典型的是電纜從屏蔽體中穿出。
電纜穿透的作用是將屏蔽體內(nèi)外通過導線連通，等效于兩個背靠背的天線，對屏蔽體的屏蔽有極大的影響。
為了避免電纜穿透對屏蔽體的影響，可以從幾個方面采取措施：
1）采用屏蔽電纜時，屏蔽電纜在出屏蔽體時，采用夾線結(jié)構(gòu)，保證電纜屏蔽層與屏蔽體之間可靠接地，提供足夠低的接觸阻抗。
2）采用屏蔽電纜時，用屏蔽連接器轉(zhuǎn)接將信號接出屏蔽體，通過連接器保證電纜屏蔽層的可靠接地。
3） 采用非屏蔽電纜時，采用濾波連接器轉(zhuǎn)接，保證電纜與屏蔽體之間有足夠低的高頻阻抗。
4） 采用非屏蔽電纜時，電纜在屏蔽體的內(nèi)側(cè)（或者外側(cè)）要足夠短，使干擾信號不能有效地耦合出去，從而減小了電纜穿透的影響。
5） 電源線通過電源濾波器出屏蔽體，保證電源線與屏蔽體之間有足夠低的高頻阻抗。
第四部分 接地設計
接地是抑制電磁干擾、提高電子設備電磁兼容性的重要手段之一。正確的接地既能抑制干擾的影響，又能抑制設備向外輻射干擾；反之錯誤的接地反而會引入嚴重的干擾，甚至使電子設備無法正常工作。
1、接地的概念
電子設備中的“地”通常有兩種含義：一種是“大地”，另一種是“系統(tǒng)基準地”。接地就是指在系統(tǒng)的某個選定點與某個電位基準間建立低阻的導電通路。“接大地”就是以地球的電位作為基準，并以大地作為零電位，把電子設備的金屬外殼、線路選定點等通過接地線、接地極等組成的接地裝置與大地相連接。
“系統(tǒng)基準地”是指信號回路的基準導體（電子設備通常以金屬底座、機殼、屏蔽罩或粗銅線、銅帶作為基準導體），并設該基準導體電位為相對零電位，但不是大地零電位，簡稱為系統(tǒng)地。
接地的目的有兩個：一是為了安全，稱為保護接地。電子設備的金屬外殼必須接大地，這樣可以避免因事故導致金屬外殼上出現(xiàn)過高對地電壓而危及操作人員和設備的安全。二是為電流返回其源提供低阻抗通道。
2 接地的種類
實際上，各種地線都存在電氣上或是物理上的聯(lián)系，不一定有明確的劃分。在地系統(tǒng)中，有時一個地既承擔保護地，又承當防雷地的作用；或既承擔工作地，又承當保護地的作用。而不同功能的地連接，針對的電氣對象不同，其處理方
式的側(cè)重點還會有所差異。
a. 保護接地
保護接地是為了保護設備、裝置、電路及人身的安全，防止雷擊、靜電損壞設備，或在設備故障情況下，保護人身安全。因此在設備、裝置、電路的底盤及金屬機殼一定要采取保護接地。
保護地保護原理是：通過把帶故障電壓的設備外殼短路到大地或地線端，保護過程中產(chǎn)生的短路電流使熔絲或空氣開關斷開，從而達到保護設備和人員安全的作用。
b. 工作接地
工作地是單板、母板或系統(tǒng)之間信號的等電位參考點或參考平面，它給信號回流提供了低的阻抗通道。信號質(zhì)量很大程度上依賴于工作接地質(zhì)量的好壞。由于受接地材料特性和其他技術因素的影響，接地導體的連接或搭接無論做的如何好，總有一定的阻抗，信號的回流會在工作地線上產(chǎn)生電壓降，形成地紋波，對信號質(zhì)量產(chǎn)生影響；信號越弱，信號頻率越高，這種影響就越嚴重。盡管如
此，在設計和施工中最大限度地降低工作接地導體的阻抗仍然是非常重要的。
第五部分 濾波設計
1、 濾波電路的基本概念
濾波電路是由電感、電容、電阻、鐵氧體磁珠和共模線圈構(gòu)成的頻率選擇性網(wǎng)絡，低通濾波器是電磁兼容抑制技術中普遍應用的濾波器。為了減小電源和信號線纜對外輻射，接口電路和電源電路必須進行濾波設計。
濾波電路的效能取決于濾波電路兩邊的阻抗特性，在低阻抗電路中，簡單的電感濾波電路可以得到 40dB 的衰減，而在高阻抗電路中，幾乎沒有作用；在高阻抗電路中，簡單的電容濾波電路可以得到很好的濾波效果，在低阻抗電路中幾乎不起作用。在濾波電路設計中，電容靠近高阻抗電路設計，電感靠近低阻抗電路設計。
電容器的插入損耗隨頻率的增加而增加，直到頻率達到自諧振頻率后，由于在導線和電容器電極的電感在電路上與電容串聯(lián)，于是插入損耗開始下降。
2、 電源EMI濾波器
電源 EMI 濾波器是一種無源雙向網(wǎng)絡，它一端接電源，另一端接負載。在所關心的衰減頻帶的較高頻段，可把電源 EMI 濾波器看作是“阻抗失配網(wǎng)絡”。
網(wǎng)絡分析結(jié)果表明，濾波器阻抗兩側(cè)端口阻抗失配越大，對電磁干擾能量的衰減就越是有效。由于電源線側(cè)的共模阻抗一般比較低，所以濾波器電源側(cè)的阻抗一般比較高。為了得到較好的濾波效果，對低阻抗的電源側(cè)，應配高輸入阻抗的濾波器；對高輸入阻抗的負載側(cè)，則應配低輸出阻抗的濾波器。
普通的電源濾波器對于數(shù)十兆以下的干擾信號有較好的濾波作用,在較高頻段,由于電容的電感效應,其濾波性能將會下降。對于頻率較高的干擾情況，要使用饋通式濾波器。該濾波器由于其結(jié)構(gòu)特點，具有良好的濾波特性，其有效頻段可以擴展到 GHz，因此在無線產(chǎn)品中使用較多。
濾波器的使用，最重要的問題是接地問題。只有接地良好的濾波器才能發(fā)揮其濾波作用，否則是沒有價值的。濾波器使用要注意以下問題：
1） 濾波器放置在電源的入口位置；
2） 饋通濾波器要放置在機箱（機柜）的金屬壁上；
3） 濾波器直接與機柜緊密連接，濾波器下面不能涂保護漆；
4） 濾波器的輸入輸出引線不能并行，交叉。
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