隨著電子設(shè)備的普及和電磁環(huán)境日益復(fù)雜，EMI電磁干擾的問題日益突出。本文將圍繞EMI展開介紹，從原理、影響以及解決方法等多方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。
一、EMI電磁干擾的基本概念
EMI電磁干擾指的是電磁場或電磁波對電子設(shè)備、電路或系統(tǒng)造成的不良影響。它可能來自于外部環(huán)境，也可能由設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生。EMI會導(dǎo)致設(shè)備性能下降、通訊中斷甚至故障，嚴(yán)重影響設(shè)備的正常工作。
二、EMI的分類
1、傳導(dǎo)干擾：通過傳導(dǎo)媒介(如電源線、信號線等)傳播的干擾信號;
2、輻射干擾：通過空氣傳播的電磁波干擾，如無線電波、微波等;
3、互調(diào)干擾：在不同頻率信號相互作用下產(chǎn)生的干擾。
三、電磁干擾的影響
1、設(shè)備性能下降：干擾信號會導(dǎo)致電子設(shè)備性能下降，如傳感器誤差增大、通訊速率降低等;
2、安全隱患：在醫(yī)療設(shè)備、航空航天系統(tǒng)等領(lǐng)域，EMI可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故;
3、法規(guī)要求：各國針對EMI都有相應(yīng)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備需符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以保證產(chǎn)品質(zhì)量和市場準(zhǔn)入。
四、EMC電磁兼容性解決方案
1、EMI濾波器的應(yīng)用：通過在電源線、信號線等關(guān)鍵部位設(shè)置EMI濾波器，抑制干擾信號的傳播;
2、屏蔽技術(shù)的應(yīng)用：采用金屬屏蔽罩、屏蔽材料等措施，阻隔外部電磁波的干擾;
3、地線設(shè)計：合理的地線設(shè)計可以有效降低傳導(dǎo)干擾。
五、EMI測試與認(rèn)證
為了確保設(shè)備符合EMI的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通常需要進(jìn)行EMI測試，并獲得相應(yīng)的認(rèn)證。測試內(nèi)容包括輻射發(fā)射測試、傳導(dǎo)發(fā)射測試、抗干擾能力測試等，通過測試獲得認(rèn)證標(biāo)志，表明產(chǎn)品符合EMI相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
對策1:盡量減少各回路的有效面積
傳導(dǎo)干擾有差分模干擾和共模干擾兩種，讓我們先看看傳導(dǎo)干擾是如何產(chǎn)生的。如圖1所示，回路電流產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾。里面有幾個回路電流。我們可以把每個回路看作一個感應(yīng)線圈或變壓器線圈的一次和二次。當(dāng)有電流流過一個電路時，另一個電路就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)生干擾。減少干擾最有效的方法是盡量減少每個回路的有效面積。
對策2:屏蔽并減小每個電流環(huán)的面積和帶電導(dǎo)體的面積和長度
如圖2所示，E1、E2、E3、E4為磁場對回路誘導(dǎo)的差動模干擾信號;E5、E6、E7、E8是磁場對地回路的共模干擾信號。共模信號的一端是整個電路板，另一端是地球。線路板上的共用端子不能視為接地。不要將公用端子與外殼連接。除非機(jī)箱接地，否則共用端子和外殼會增加輻射天線的有效面積，共用模輻射干擾會更加嚴(yán)重。一是屏蔽，二是減小每個電流環(huán)的面積(磁場干擾)，減小帶電導(dǎo)體的面積和長度(電場干擾)。
對策3:對變壓器進(jìn)行磁屏蔽，盡量減小各電流回路的有效面積
如圖3所示，在所有的電磁感應(yīng)干擾中，變壓器漏感最為嚴(yán)重。如果以變壓器的漏電感為該變壓器的感應(yīng)線圈的初級，則可將其他電路視為該變壓器的次級電路。減小干擾的方法是對變壓器進(jìn)行屏蔽，盡量減小各電流環(huán)的有效面積。
對策4:用銅箔屏蔽變壓器
如圖4所示，屏蔽變壓器的主要目的是減少變壓器漏感磁通對周圍電路的電磁感應(yīng)干擾，以及外部的電磁輻射干擾。原則上，非磁性材料不能直接屏蔽漏磁，但銅箔是一種良導(dǎo)體。交流漏磁通過銅箔時，會產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場方向與漏磁方向正好相反，可以抵消部分漏磁。因此，銅箔對磁通也能起到很好的屏蔽作用。
對策5:采用雙線傳輸和阻抗匹配
如圖5所示，如果兩根相鄰導(dǎo)線的電流相等，電流方向相反，它們所產(chǎn)生的磁力線可以相互抵消。對于干擾嚴(yán)重或容易被干擾的電路，盡量使用雙線傳輸信號，不要使用公共地傳輸信號，公共地電流越小，干擾越小。當(dāng)導(dǎo)線長度等于或大于波長的四分之一時，傳輸線中必須考慮阻抗匹配問題。不匹配的傳輸線會產(chǎn)生駐波，對周圍電路產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射干擾。
對策6:減小電流電路的面積
如圖6所示，磁場輻射干擾主要是由流經(jīng)高頻電流電路進(jìn)入接收電路的磁通引起的。因此，應(yīng)盡量減小流經(jīng)高頻電流電路和接收電路的面積。E1,Φ1,S1和B1 EMF,通量,面積和通量密度產(chǎn)生的輻射電流電路;E2Φ2 S2和B2 EMF,通量,面積和通量密度分別輻射電流電路中產(chǎn)生。
下圖詳細(xì)顯示了當(dāng)前環(huán)路輻射。如圖所示，S1為整流輸出濾波電路，C1為儲能濾波電容，I1為回路高頻電流。這個電流是所有電流電路中最大的，磁場干擾也是最嚴(yán)重的。S1的面積應(yīng)該盡可能的縮小。
在S2電路中，基本上沒有高頻回路電流，并且?I2主要是電源紋波電流，且高頻分量較小，所以基本上不需要考慮S2的面積大小。C2為儲能濾波電容器，為負(fù)載R1提供能量。R1和R2不是簡單的負(fù)載電阻，而是高頻電路負(fù)載。高頻電流I3基本由C2提供，C2的位置比較重要。它的連接位置應(yīng)該考慮S3的最小面積。還有一個?S3中的I3，主要是電源的紋波電流，也有少量高頻電流成分。在S4電路中，基本上沒有高頻電路電流，并且?I4主要是電源紋波電流，高頻分量相對較小。因此，S4的面積大小基本上不需要考慮。S5電路與S3電路基本相同，i5電流環(huán)面積應(yīng)盡可能小。
對策7:不要使用多路串聯(lián)電源
圖7中的幾個電流電路串聯(lián)在供電電源上，容易產(chǎn)生電流共模干擾，特別是在高頻放大電路中，產(chǎn)生高頻噪聲。電流共模干擾的原因為:I2 =?I3 + ?當(dāng)+ ?I5
在圖8中，每個電流回路彼此分開并并聯(lián)供電。每個電流回路是獨立的，不會產(chǎn)生共模干擾。
對策8:避免干擾信號在電路中發(fā)生共振
如圖9所示，共模天線的一極為整個電路板，另一極為連接電纜中的地線。減少輻射干擾最有效的方法是對整個電路板進(jìn)行屏蔽，并對外殼進(jìn)行接地。電場輻射干擾的原因是導(dǎo)體或引線由高頻信號充電，應(yīng)盡量減小導(dǎo)體的長度和表面積。磁場干擾的原因是導(dǎo)體或電路中有高頻電流流過，所以電路板中電流環(huán)的長度和面積應(yīng)盡量減小。頻率越高，電磁輻射干擾越嚴(yán)重;當(dāng)載流子的長度與信號的波長相比較時，會增強(qiáng)干擾信號的輻射。
當(dāng)載液長度等于干擾信號四分之一波長的整數(shù)倍時，干擾信號會在電路中產(chǎn)生共振，輻射干擾最強(qiáng)，應(yīng)盡量避免。、
電磁干擾解決方案
針對電子設(shè)備中出現(xiàn)的電磁干擾問題，工程師們通過不斷的研究和實踐，提出了一系列有效的解決方案，旨在提高設(shè)備的抗干擾性能，確保設(shè)備在復(fù)雜的電磁環(huán)境中能夠穩(wěn)定工作。下面我們將進(jìn)一步探討一些常用的電磁干擾解決方案。
1.濾波器設(shè)計：濾波器設(shè)計是最為常見的解決方案之一。通過在電源線、信號線等關(guān)鍵部位添加濾波器，可以有效地抑制高頻噪聲和干擾信號，防止其傳播到其他部件或設(shè)備中。濾波器的選用和設(shè)計需要根據(jù)具體的干擾頻率范圍和信號特性進(jìn)行，合理的濾波器設(shè)計將大大降低電磁干擾的影響。
2.屏蔽設(shè)計：屏蔽設(shè)計在特殊應(yīng)用領(lǐng)域尤為重要。對于一些特別敏感的電子設(shè)備，如高精密測量儀器、航空航天設(shè)備等，采用金屬屏蔽或電磁屏蔽技術(shù)可以有效地隔絕外部電磁輻射的影響。屏蔽設(shè)計需要綜合考慮設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境，以確保屏蔽效果的穩(wěn)定和可靠。
3.地線設(shè)計：地線設(shè)計也是解決電磁干擾問題的重要方面。合理的地線連接和布局可以降低設(shè)備的接地電阻，減少接地回路引起的干擾。同時，地線設(shè)計還可以幫助設(shè)備有效地排除外部干擾，提高設(shè)備的抗干擾能力。
4.合理布局：合理的電路板布局和元件排列也是重要的解決方案之一。通過優(yōu)化電路板的布局和元件的排列，可以減少信號線和功率線之間的交叉，降低互相干擾的可能性。同時，避免信號線和功率線在設(shè)計中過于接近，也能有效地減少共模干擾的產(chǎn)生。
5.選擇合適元件：選擇合適的元件對于抑制電磁干擾也是至關(guān)重要的。一些特殊材料制成的低干擾電容、電感等元件，可以在電路設(shè)計中發(fā)揮重要的作用，有效地降低電磁干擾水平。
電磁干擾問題是電子信息工程中需要高度重視的挑戰(zhàn)之一。通過濾波器設(shè)計、屏蔽設(shè)計、地線設(shè)計、合理布局和選擇合適元件等一系列解決方案，我們可以不斷提高電子設(shè)備的抗干擾性能，確保設(shè)備在復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定可靠地運行。
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