電磁干擾的存在方式電磁干擾對(duì)設(shè)備工作的影響

電磁干擾的存在方式,電磁干擾對(duì)設(shè)備工作的影響電磁干擾(EMI)，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)把一種電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合(干擾)到另一種電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過(guò)空間把其信號(hào)耦合(干擾)到另一種電網(wǎng)絡(luò)。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為含有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其它系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其它子系統(tǒng)的正常工作。電磁干擾的存在方式有關(guān)電磁干擾復(fù)雜性的眾多因素中的一種，即干擾能夠以兩種不同的模式（共模模式和差模模式）存在，參見(jiàn)圖a和圖b所示。“共?！备蓴_是指存在于線（涉及電源線、信號(hào)線在內(nèi)）對(duì)大地之間的干擾，其中，對(duì)于電源線，則特指火線對(duì)大地，或中線對(duì)大地之間的干擾。對(duì)三相電路來(lái)說(shuō)，共模干擾存在于任何一相與大地之間的干擾。共模干擾有時(shí)也稱為縱模干擾、不對(duì)擾干擾和接地干擾。這是載流導(dǎo)體與大地之間的干擾?！安钅！备蓴_是線與線之間（涉及電源線之間，信號(hào)線和它的接地回線之間）的干擾。針對(duì)電源線，差模干擾則特指相線與中線之間的干擾；對(duì)三相電路來(lái)說(shuō)，差模干擾還指存在于相線與相線之間的干擾。差模干擾有時(shí)也稱為常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。這是載流導(dǎo)體之間的電位差。干擾存在的模式提示出了干擾源與耦合通路之間的關(guān)系。舉例說(shuō)共模干擾提示了干擾是由輻射或串?dāng)_形式耦合到電路里面的。如雷電、設(shè)備近處的電弧、附近的電臺(tái)、其它大功率輻射裝置在電源線上的干擾，也涉及機(jī)箱內(nèi)部線路或其它電纜對(duì)電源線的干擾。由于是來(lái)自空間的感應(yīng)（電磁輻射、電感耦合和電容耦合），故對(duì)每一根線的作用是相似的。而差模干擾則提示出干擾是來(lái)源在同一電源線路之中（直接注入）。猶如一線路中工作的電機(jī)、開(kāi)關(guān)電源、可控硅等，它們?cè)陔娫淳€上所產(chǎn)生的干擾就是差模干擾。普通，線路上干擾電壓的這兩種分量是同時(shí)存在的，并且由于線路阻抗的不平衡，兩種分量在傳輸中會(huì)互相轉(zhuǎn)變。干擾在線路上通過(guò)長(zhǎng)距離傳輸后，差模分量的衰減要比共模分量大，這是由于線間阻抗和線-地阻抗不同的緣故。另首先，共模干擾的頻率普通分布在1～2MHz以上，因此共模干擾在線路上傳輸?shù)耐瑫r(shí)，還會(huì)向周邊鄰近空間輻射（這是由于線-地阻抗較大，加上共模干擾的頻率比較高，故容易逸出傳輸線，形成空間感應(yīng)）。電源線的輻射，特別是進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部后的電源線輻射，可進(jìn)一步耦合到信號(hào)電路去形成干擾，因此很難防備。而差模干擾的頻率相對(duì)較低，不易形成輻射。再加上在普通線路中，在對(duì)付差模干擾時(shí)己經(jīng)有了不少方法（例如在穩(wěn)壓電路中己經(jīng)用了很大的電容；在印刷線路板上，電源線與地線之間也普遍使用了去耦電容），故由差模干擾引發(fā)設(shè)備誤動(dòng)作的機(jī)會(huì)相對(duì)少些。因此，設(shè)備的敏感度問(wèn)題大部分是由共模干擾引發(fā)的。在現(xiàn)在共模干擾是我們考慮的重點(diǎn)，這能夠從慣用的抗擾度實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來(lái)得到證明。其中靜電實(shí)驗(yàn)、高頻輻射電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、電快速瞬態(tài)脈沖群實(shí)驗(yàn)、線-地間的雷擊浪涌實(shí)驗(yàn)和由射頻場(chǎng)感應(yīng)所引發(fā)的傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)等等，對(duì)受試設(shè)副和線路來(lái)說(shuō)，它們所感受到的都是共模干擾。電磁干擾的類型造成電磁干擾復(fù)雜性（特別電源線干擾的復(fù)雜性）的第二個(gè)因素是干擾體現(xiàn)的形式諸多，能夠從持續(xù)期很短的尖峰干擾直至電網(wǎng)完全失電。其中也涉及了電壓的變化（如電壓跌落、浪涌和中斷）、頻率變化、波形失真（涉及電壓和電流的）、持續(xù)噪聲或雜波，以及瞬變等等。下表是經(jīng)常能夠見(jiàn)到的干擾類型和它們的起因：不是全部的電磁干擾都會(huì)給電子設(shè)備帶來(lái)麻煩，事實(shí)上只有兩個(gè)是非常重要的因素：持續(xù)期短的尖峰干擾和長(zhǎng)時(shí)間的電壓跌落。尖峰干擾能夠通過(guò)串?dāng)_或直接進(jìn)入電源的方式耦合到系統(tǒng)去，從而引發(fā)內(nèi)部邏輯電路的偽觸發(fā)。電壓的跌落能夠引發(fā)存貯電路或其它易失數(shù)據(jù)的丟失。而另外某些干擾，如輕微的過(guò)電壓、諧波失真或頻率偏移等普通是不會(huì)引發(fā)計(jì)算機(jī)化系統(tǒng)誤動(dòng)作的。電磁干擾對(duì)設(shè)備工作的影響有三組代表性的數(shù)據(jù)描述電源線干擾對(duì)于設(shè)備工作的影響，分別由美國(guó)IBM公司、AT">②美國(guó)AT">③美國(guó)海軍的ThomasKey匯總了海軍系統(tǒng)十年內(nèi)的計(jì)算機(jī)事故，認(rèn)為電壓過(guò)低是造成計(jì)算機(jī)故障的首要因素。以上三組數(shù)據(jù)的結(jié)論大相徑庭，其差別可歸結(jié)為統(tǒng)計(jì)對(duì)象的不同。但從三組數(shù)據(jù)還是能夠看出某些端倪：因電源問(wèn)題造成設(shè)備故障的重要因素有兩個(gè)，分別是電壓過(guò)低和電源中有瞬變干擾（振蕩瞬變和脈沖干擾）。屏蔽電磁干擾的辦法EMC問(wèn)題經(jīng)常是制約中國(guó)電子產(chǎn)品出口的一種因素，本文重要敘述EMI的來(lái)源及某些非常具體的克制辦法。電磁兼容性(EMC)是指“一種器件、設(shè)備或系統(tǒng)的性能，它能夠使其在本身環(huán)境下正常工作并且同時(shí)不會(huì)對(duì)此環(huán)境中任何其它設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁干擾(IEEEC63.12-1987)”對(duì)于無(wú)線收發(fā)設(shè)備來(lái)說(shuō)，采用非持續(xù)頻譜可部分實(shí)現(xiàn)EMC性能，但是諸多有關(guān)的例子也表明EMC并不總是能夠做到例如在筆記本電腦和測(cè)試設(shè)備之間、打印機(jī)和臺(tái)式電腦之間以及蜂窩電話和醫(yī)療儀器之間等都含有高頻干擾，我們把這種干擾稱為電磁干擾(EMI)。EMC問(wèn)題來(lái)源全部電器和電子設(shè)備工作時(shí)都會(huì)有間歇或持續(xù)性電壓電流變化，有時(shí)變化速率還相稱快，這樣會(huì)造成在不同頻率內(nèi)或一種頻帶間產(chǎn)生電磁能量，而對(duì)應(yīng)的電路則會(huì)將這種能量發(fā)射到周邊的環(huán)境中。EMI有兩條途徑離開(kāi)或進(jìn)入一種電路：輻射和傳導(dǎo)信號(hào)輻射是通過(guò)外殼的縫、槽、開(kāi)孔或其它缺口泄漏出去；而信號(hào)傳導(dǎo)則通過(guò)耦合到電源、信號(hào)和控制線上離開(kāi)外殼，在開(kāi)放的空間中自由輻射，從而產(chǎn)生干擾。諸多EMI克制都采用外殼屏蔽和縫隙屏蔽結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，大多數(shù)時(shí)候下面這些簡(jiǎn)樸原則能夠有助于實(shí)現(xiàn)EMI屏蔽：從源頭處減少干擾；通過(guò)屏蔽、過(guò)濾或接地將干擾產(chǎn)生電路隔離以及增強(qiáng)敏感電路的抗干擾能力等EMI克制性、隔離性和低敏感性應(yīng)當(dāng)作為全部電路設(shè)計(jì)人員的目的，這些性能在設(shè)計(jì)階段的早期就應(yīng)完畢。對(duì)設(shè)計(jì)工程師而言，采用屏蔽材料是一種有效減少EMI的辦法如今已有多個(gè)外殼屏蔽材料得到廣泛使用，從金屬罐、薄金屬片和箔帶到在導(dǎo)電織物或卷帶上噴射涂層及鍍層(如導(dǎo)電漆及鋅線噴涂等)無(wú)論是金屬還是涂有導(dǎo)電層的塑料，一旦設(shè)計(jì)人員擬定作為外殼材料之后，就可著手開(kāi)始選擇襯墊。金屬屏蔽效率可用屏蔽效率(SE)對(duì)屏蔽罩的合用性進(jìn)行評(píng)定，其單位是分貝，計(jì)算公式為：SEdB=A+R+B其中A：吸取損耗(dB)R：反射損耗(dB)B：校正因子(dB)(合用于薄屏蔽罩內(nèi)存在多個(gè)反射的狀況)。一種簡(jiǎn)樸的屏蔽罩會(huì)使所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度降至最初的十分之一，即SE等于20dB；而有些場(chǎng)合可能會(huì)規(guī)定將場(chǎng)強(qiáng)降至為最初的十萬(wàn)分之一，即SE要等于100dB。吸取損耗是指電磁波穿過(guò)屏蔽罩時(shí)能量損耗的數(shù)量，吸取損耗計(jì)算式為AdB=1.314(f×σ×μ)1/2×t其中f：頻率(MHz)μ：銅的導(dǎo)磁率σ：銅的導(dǎo)電率t：屏蔽罩厚度反射損耗(近場(chǎng))的大小取決于電磁波產(chǎn)生源的性質(zhì)以及與波源的距離對(duì)于桿狀或直線形發(fā)射天線而言，離波源越近波阻越高，然后隨著與波源距離的增加而下降，但平面波阻則無(wú)變化(恒為377)。相反，如果波源是一種小型線圈，則此時(shí)將以磁場(chǎng)為主，離波源越近波阻越低波阻隨著與波源距離的增加而增加，但當(dāng)距離超出波長(zhǎng)的六分之一時(shí)，波阻不再變化，恒定在377處。反射損耗隨波阻與屏蔽阻抗的比率變化，因此它不僅取決于波的類型，并且取決于屏蔽罩與波源之間的距離這種狀況合用于小型帶屏蔽的設(shè)備。近場(chǎng)反射損耗可按下式計(jì)算R(電)dB=321.8-(20×lgr)-(30×lgf)-[10×lg(μ/σ)]R(磁)dB=14.6+(20×lgr)+(10×lgf)+[10×lg(μ/σ)]其中r：波源與屏蔽之間的距離SE算式最后一項(xiàng)是校正因子B，其計(jì)算公式為B=20lg[-exp(-2t/σ)]此式僅合用于近磁場(chǎng)環(huán)境并且吸取損耗不大于10dB的狀況由于屏蔽物吸取效率不高，其內(nèi)部的再反射會(huì)使穿過(guò)屏蔽層另一面的能量增加，因此校正因子是個(gè)負(fù)數(shù)，表達(dá)屏蔽效率的下降狀況。EMI克制方略只有如金屬和鐵之類導(dǎo)磁率高的材料才干在極低頻率下達(dá)成較高屏蔽效率這些材料的導(dǎo)磁率會(huì)隨著頻率增加而減少，另外如果初始磁場(chǎng)較強(qiáng)也會(huì)使導(dǎo)磁率減少，尚有就是采用機(jī)械辦法將屏蔽罩作成規(guī)定形狀同樣會(huì)減少導(dǎo)磁率總而言之，選擇用于屏蔽的高導(dǎo)磁性材料非常復(fù)雜，普通要向EMI屏蔽材料供應(yīng)商以及有關(guān)咨詢機(jī)構(gòu)謀求解決方案。在高頻電場(chǎng)下，采用薄層金屬作為外殼或內(nèi)襯材料可達(dá)成良好的屏蔽效果，但條件是屏蔽必須持續(xù)，并將敏感部分完全遮蓋住，沒(méi)有缺口或縫隙(形成一種法拉第籠)然而在實(shí)際中要制造一種無(wú)接縫及缺口的屏蔽罩是不可能的，由于屏蔽罩要分成多個(gè)部分進(jìn)行制作，因此就會(huì)有縫隙需要接合，另外普通還得在屏蔽罩上打孔方便安裝與插卡或裝配組件的連線。設(shè)計(jì)屏蔽罩的困難在于制造過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生孔隙，并且設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中還會(huì)需要用到這些孔隙制造、面板連線、通風(fēng)口、外部監(jiān)測(cè)窗口以及面板安裝組件等都需要在屏蔽罩上打孔，從而大大減少了屏蔽性能盡管溝槽和縫隙不可避免，但在屏蔽設(shè)計(jì)中對(duì)與電路工作頻率波長(zhǎng)有關(guān)的溝槽長(zhǎng)度作認(rèn)真考慮是很有好處的。任一頻率電磁波的波長(zhǎng)為:波長(zhǎng)(λ)=光速(C)/頻率(Hz)當(dāng)縫隙長(zhǎng)度為波長(zhǎng)(截止頻率)的二分之一時(shí),RF波開(kāi)始以20dB/10倍頻(1/10截止頻率)或6dB/8倍頻(1/2截止頻率)的速率衰減普通RF發(fā)射頻率越高衰減越嚴(yán)重，由于它的波長(zhǎng)越短當(dāng)涉及到最高頻率時(shí)，必須要考慮可能會(huì)出現(xiàn)的任何諧波，但是事實(shí)上只需考慮一次及二次諧波即可。一旦懂得了屏蔽罩內(nèi)RF輻射的頻率及強(qiáng)度，就可計(jì)算出屏蔽罩的最大允許縫隙和溝槽例如如果需要對(duì)1GHz(波長(zhǎng)為300mm)的輻射衰減26dB,則150mm的縫隙將會(huì)開(kāi)始產(chǎn)生衰減，因此當(dāng)存在不大于150mm的縫隙時(shí)，1GHz輻射就會(huì)被衰減因此對(duì)1GHz頻率來(lái)講，若需要衰減20dB，則縫隙應(yīng)不大于15mm(150mm的1/10)，需要衰減26dB時(shí)，縫隙應(yīng)不大于7.5mm(15mm的1/2以上)，需要衰減32dB時(shí)，縫隙應(yīng)不大于3.75mm(7.5mm的1/2以上)?？刹捎眠m宜的導(dǎo)電襯墊使縫隙大小限定在規(guī)定尺寸內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)這種衰減效果。屏蔽設(shè)計(jì)難點(diǎn)由于接縫會(huì)造成屏蔽罩導(dǎo)通率下降，因此屏蔽效率也會(huì)減少要注意低于截止頻率的輻射其衰減只取決于縫隙的長(zhǎng)度直徑比，例如長(zhǎng)度直徑比為3時(shí)可獲得100dB的衰減在需要穿孔時(shí)，可運(yùn)用厚屏蔽罩上面小孔的波導(dǎo)特性；另一種實(shí)現(xiàn)較高長(zhǎng)度直徑比的辦法是附加一種小型金屬屏蔽物，如一種大小適宜的襯墊上述原理及其在多縫狀況下的推廣構(gòu)成多孔屏蔽罩設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。多孔薄型屏蔽層：多孔的例子諸多，例如薄金屬片上的通風(fēng)孔等等，當(dāng)各孔間距較近時(shí)設(shè)計(jì)上必須要認(rèn)真考慮下面是這類狀況下屏蔽效率計(jì)算公式SE=[20lg(fc/o/σ)]-10lgn其中fc/o：截止頻率n：孔洞數(shù)目注意此公式僅合用于孔間距不大于孔直徑的狀況，也可用于計(jì)算金屬編織網(wǎng)的有關(guān)屏蔽效率。接縫和接點(diǎn)：電焊、銅焊或錫焊是薄片之間進(jìn)行永久性固定的慣用方式，接合部位金屬表面必須清理干凈，以使接合處能完全用導(dǎo)電的金屬填滿不建議用螺釘或鉚釘進(jìn)行固定，由于緊固件之間接合處的低阻接觸狀態(tài)不容易長(zhǎng)久保持。導(dǎo)電襯墊的作用是減少接縫或接合處的槽、孔或縫隙，使RF輻射不會(huì)散發(fā)出去EMI襯墊是一種導(dǎo)電介質(zhì)，用于彌補(bǔ)屏蔽罩內(nèi)的空隙并提供持續(xù)低阻抗接點(diǎn)普通EMI襯墊可在兩個(gè)導(dǎo)體之間提供一種靈活的連接，使一種導(dǎo)體上的電流傳至另一導(dǎo)體。封孔EMI襯墊的選用可參考下列性能參數(shù)：·特定頻率范疇的屏蔽效率·安裝辦法和密封強(qiáng)度·與外罩電流兼容性以及對(duì)外部環(huán)境的抗腐蝕能力·工作溫度范疇·成本大多數(shù)商用襯墊都含有足夠的屏蔽性能以使設(shè)備滿足EMC原則，核心是在屏蔽罩內(nèi)對(duì)的地對(duì)墊片進(jìn)行設(shè)計(jì)。墊片系統(tǒng)：一種需要考慮的重要因素是壓縮，壓縮能在襯墊和墊片之間產(chǎn)生較高導(dǎo)電率襯墊和墊片之間導(dǎo)電性太差會(huì)減少屏蔽效率，另外接合處如果少了一塊則會(huì)出現(xiàn)細(xì)縫而形成槽狀天線，其輻射波長(zhǎng)比縫隙長(zhǎng)度小約4倍確保導(dǎo)通性首先要確保墊片表面平滑、干凈并通過(guò)必要解決以含有良好導(dǎo)電性，這些表面在接合之前必須先遮??；另外屏蔽襯墊材料對(duì)這種墊片含有持續(xù)良好的粘合性也非常重要導(dǎo)電襯墊的可壓縮特性能夠彌補(bǔ)墊片的任何不規(guī)則狀況。全部襯墊都有一種有效工作最小接觸電阻，設(shè)計(jì)人員能夠加大對(duì)襯墊的壓縮力度以減少多個(gè)襯墊的接觸電阻，固然這將增加密封強(qiáng)度，會(huì)使屏蔽罩變得更為彎曲大多數(shù)襯墊在壓縮到原來(lái)厚度的30[%]至70[%]時(shí)效果比較好因此在建議的最小接觸面范疇內(nèi)，兩個(gè)相向凹點(diǎn)之間的壓力應(yīng)足以確保襯墊和墊片之間含有良好的導(dǎo)電性。另首先，對(duì)襯墊的壓力不應(yīng)大到使襯墊處在非正常壓縮狀態(tài)，由于此時(shí)會(huì)造成襯墊接觸失效，并可能產(chǎn)生電磁泄漏與墊片分離的規(guī)定對(duì)于將襯墊壓縮控制在制造商建議范疇非常重要，這種設(shè)計(jì)需要確保墊片含有足夠的硬度，以免在墊片緊固件之間產(chǎn)生較大彎曲在某些狀況下，可能需要另外某些緊固件以避免外殼構(gòu)造彎曲。壓縮性也是轉(zhuǎn)動(dòng)接合處的一種重要特性，如在門(mén)或插板等位置若襯墊易于壓縮，那么屏蔽性能會(huì)隨著門(mén)的每次轉(zhuǎn)動(dòng)而下降，此時(shí)襯墊需要更高的壓縮力才干達(dá)成與新襯墊相似的屏蔽性能在大多數(shù)狀況下這不太可能做得到，因此需要一種長(zhǎng)久EMI解決方案。如果屏蔽罩或墊片由涂有導(dǎo)電層的塑料制成，則添加一種EMI襯墊不會(huì)產(chǎn)生太多問(wèn)題，但是設(shè)計(jì)人員必須考慮諸多襯墊在導(dǎo)電表面上都會(huì)有磨損，普通金屬襯墊的鍍層表面更易磨損隨著時(shí)間增加這種磨損會(huì)減少襯墊接合處的屏蔽效率，并給背面的制造商帶來(lái)麻煩。如果屏蔽罩或墊片構(gòu)造是金屬的，那么在噴涂拋光材料之前可加一種襯墊把墊片表面包住，只需用導(dǎo)電膜和卷帶即可若在接合墊片的兩邊都使用卷帶，則可用機(jī)械固件對(duì)EMI襯墊進(jìn)行緊固，例如帶有塑料鉚釘或壓敏粘結(jié)劑(PSA)的“C型”襯墊襯墊安裝在墊片的一邊，以完畢對(duì)EMI的屏蔽。襯墊及附件現(xiàn)在可用的