電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI)及其抑制措施研究

1、電磁干擾(EMI和射頻干擾(RFI及其抑制措施研究李貴山 楊建平 黃曉峰(蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校 蘭州 730050摘 要在電子系統(tǒng)中,強(qiáng)電與弱電交叉耦合的應(yīng)用環(huán)境,干擾錯(cuò)綜復(fù)雜,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本文介紹EMI/RFI產(chǎn)生的原因和導(dǎo)入途徑,分析并提出了一些行之有效的EMI/RFI抑制方法。關(guān)鍵詞EMI RFI 干擾途徑 干擾抑制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(zhuān)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

2、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(lèi)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(lèi)設(shè)備和B(消費(fèi)類(lèi)設(shè)備兩類(lèi),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-11

3、748、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

4、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。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)

5、是一寬帶信號(hào),其耦合方式包括上述所有情形。 2.3 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110 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FATID概念。FATID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FATID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

6、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)?當(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

7、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 為天線增益;d為電路或系統(tǒng)距干擾源的距離(m。式中GA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V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

8、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。 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(<0.0656/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

9、可用于防止模擬電路受EM場(chǎng)和RF場(chǎng)干擾。 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0.1F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10100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)?實(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1001000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

10、波器,如圖5所示。 圖 5 中，低頻帶寬為 10 kHz1 MHz；中頻帶寬為 1 MHz100 MHz；高頻帶 寬為 100 MHz1GHz。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 EMIRFI 抑制對(duì)策 電源線的 EMIRFI 是由瞬變電壓引起的，因此，這類(lèi)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

11、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。 （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

12、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： CIlu 式中 I電源電流波動(dòng)的峰值；l電流脈動(dòng)寬度；u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 6 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 EMIRFI 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)

13、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 EMIRFI。 （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?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(lèi)高速器件，可在其 IO 端采用具有鐵氧體芯電感的小型濾波器以降低對(duì) EMIRFI 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

14、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。

15、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r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）。 7 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 0021FR4（r47）型絕緣材 料隔離，采用 8mil寬、14 mil厚的銅層走線，其特性阻抗為 88，單向傳輸 時(shí)間為 17 nsft。 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)

16、可防止外部EMIRFI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2（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。 EMIRFI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 （Z377） ； 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 37

17、7， 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 377。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 8 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 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 120，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) EMIRFI 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