電子線路與電磁兼容設(shè)計(jì) (完整版)

現(xiàn)代的電子產(chǎn)品，功能越來(lái)越強(qiáng)大，電子線路也越來(lái)越復(fù)雜，以前在電子線路設(shè)計(jì)中很少出現(xiàn)的電磁干擾(EMI)和電磁兼容性(EMC)問(wèn)題，現(xiàn)在反而變成了主要問(wèn)題，電路設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)師的技術(shù)水平要求也越來(lái)越高。CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))在電子線路設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用，很大程度地拓寬了電路設(shè)計(jì)師的工作能力，但電磁兼容設(shè)計(jì)，盡管目前采用了世界上最先進(jìn)的CAD技術(shù)，還是很難幫得上忙。

電磁兼容設(shè)計(jì)實(shí)際上就是針對(duì)電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的電磁干擾(Electromagnetic Interference)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之能成為符合各國(guó)或地區(qū)電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。EMC的定義是：在同一電磁環(huán)境中，設(shè)備能夠不因?yàn)槠渌O(shè)備的干擾影響正常工作，同時(shí)也不對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生影響工作的干擾。

電磁干擾(Electromagnetic Interference)一般都分為兩種，傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)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)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。因此對(duì)EMC問(wèn)題的研究就是對(duì)干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備三者之間關(guān)系的研究。

自從電子系統(tǒng)降噪技術(shù)在70年代中期出現(xiàn)以來(lái)，主要由于美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)在1990年和歐盟在1992提出了對(duì)商業(yè)數(shù)碼產(chǎn)品的有關(guān)規(guī)章，這些規(guī)章要求各個(gè)公司確保它們的產(chǎn)品符合嚴(yán)格的磁化系數(shù)和發(fā)射準(zhǔn)則。符合這些規(guī)章的產(chǎn)品稱(chēng)為具有電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。目前全球各地區(qū)基本都設(shè)置了EMC相應(yīng)的市場(chǎng)準(zhǔn)入認(rèn)證，用以保護(hù)本地區(qū)的電磁環(huán)境和本土產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。如：北美的FCC、NEBC認(rèn)證、歐盟的CE認(rèn)證、日本的VCCEI認(rèn)證、澳洲的C-tick人證、***的BSMI認(rèn)證、中國(guó)的3C認(rèn)證等都是進(jìn)入這些市場(chǎng)的“通行證”。

很多人從事電子線路設(shè)計(jì)的時(shí)候，都是從認(rèn)識(shí)電子元器件開(kāi)始，但從事電磁兼容設(shè)計(jì)的時(shí)候卻無(wú)從下手。實(shí)際上從事電磁兼容設(shè)計(jì)是從電磁場(chǎng)理論開(kāi)始，即從電磁感應(yīng)認(rèn)識(shí)開(kāi)始。

一、電磁感應(yīng)與電磁干擾

一般電子線路都是由電阻器、電容器、電感器、變壓器、有源器件和導(dǎo)線組成，當(dāng)電路中有電壓存在的時(shí)候，在所有帶電的元器件周?chē)紩?huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，當(dāng)電路中有電流流過(guò)的時(shí)候，在所有載流體的周?chē)即嬖诖艌?chǎng)。

電容器是電場(chǎng)最集中的元件，流過(guò)電容器的電流是位移電流，這個(gè)位移電流是由于電容器的兩個(gè)極板帶電，并在兩個(gè)極板之間產(chǎn)生電場(chǎng)，通過(guò)電場(chǎng)感應(yīng)，兩個(gè)極板會(huì)產(chǎn)生充放電，形成位移電流。實(shí)際上電容器回路中的電流并沒(méi)有真正流過(guò)電容器，而只是對(duì)電容器進(jìn)行充放電。當(dāng)電容器的兩個(gè)極板張開(kāi)時(shí)，我們就可以把兩個(gè)極板看成是一組電場(chǎng)輻射天線，此時(shí)在兩個(gè)極板之間的電路都會(huì)對(duì)極板之間的電場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)。在兩極板之間的電路不管是閉合回路，或者是開(kāi)路，在與電場(chǎng)方向一致的導(dǎo)體中都會(huì)產(chǎn)生位移電流(當(dāng)電場(chǎng)的方向不斷改變時(shí))，即電流一會(huì)兒向前跑，一會(huì)兒向后跑。

電場(chǎng)強(qiáng)度的定義是電位梯度，即兩點(diǎn)之間的電位差與距離之比。一根數(shù)米長(zhǎng)的導(dǎo)線，當(dāng)其流過(guò)數(shù)安培的電流時(shí)，其兩端電壓最多也只有零點(diǎn)幾伏，即幾十毫伏/米的電場(chǎng)強(qiáng)度，就可以在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的電流，可見(jiàn)電場(chǎng)作用效力之大，其干擾能力之強(qiáng)。

電感器和變壓器是磁場(chǎng)最集中的元件，流過(guò)變壓器次級(jí)線圈的電流是感應(yīng)電流，這個(gè)感應(yīng)電流是因?yàn)樽儔浩鞒跫?jí)線圈中有電流流過(guò)時(shí)，產(chǎn)生磁感應(yīng)而產(chǎn)生的。在電感器和變壓器周邊的電路，都可看成是一個(gè)“變壓器”的感應(yīng)線圈，當(dāng)電感器和變壓器漏感產(chǎn)生的磁力線穿過(guò)某個(gè)電路時(shí)，此電路作為“變壓器”的“次級(jí)線圈”就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。兩個(gè)相鄰回路的電路，也同樣可以把其中的一個(gè)回路看成是“變壓器”的“初級(jí)線圈”，而另一個(gè)回路可以看成是“變壓器”的“次級(jí)線圈”，因此兩個(gè)相鄰回路同樣產(chǎn)生電磁感應(yīng)，即互相產(chǎn)生干擾。

在電子線路中只要有電場(chǎng)或磁場(chǎng)存在，就會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(Electromagnetic Interference)，兩者是相輔相成的，因?yàn)殡妶?chǎng)會(huì)產(chǎn)生位移電流，電流又會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。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(lèi)接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。