解決電磁干擾問題的三大定律分析

在現(xiàn)在產(chǎn)品中，電磁干擾問題越來越成為產(chǎn)品關注重點，也成為產(chǎn)品進入國外市場的重要瓶頸。由于中國長期忽略這塊，以及這塊的測試設備及其昂貴等眾多因素，國內(nèi)在這塊領域中發(fā)展相對緩慢。

了解這塊的工程師少之又少，成為大多數(shù)工程師及國內(nèi)企業(yè)研發(fā)部最為頭疼的事情，它們在解決這類產(chǎn)品問題的時候，大多都是盲人摸象，走了很多彎路之后，才勉強把問題解決。這類經(jīng)驗并且具有不可復制性，在開發(fā)下面產(chǎn)品中依舊會面臨各種問題，而且即使在解決了的產(chǎn)品中，留的貨量不夠，在批量生產(chǎn)的時候，隨機性較大。

電磁兼容的問題真的又這么難么？

破解模擬硬件設計有三大定律：

第一，源、回路、阻抗；

第二，電路是一個波形的整形，從無用的波形最終整形有用的波形，包括形態(tài)、相位的整形；

第三，對元器件的參數(shù)、封裝、魯棒性、成本要熟知，這樣才把產(chǎn)品設計在臨界區(qū)。

我們在此可以運用第一大定律源、回路、阻抗來融入到產(chǎn)品設計中，用第二大定律的波形測量分析來輔助我們整改電磁兼容問題，用第三大定律的元器件，封裝來優(yōu)化電磁兼容問題。

電磁兼容，簡稱EMC（electromagnetic compatibility）。它包含兩個方面，一個是干擾其他的電器產(chǎn)品，簡稱EMI（electromagnetic interference），即電磁干擾；另一個是被其他電器產(chǎn)品干擾，叫抗干擾性，我們用EMS（electromagnetic susceptibility）表示。

要想解決電磁兼容問題，我們要先理解頻率帶寬的問題。通俗講帶寬是信號的頻率，而信號頻率本質(zhì)是信號的速度。那么信號速度的本質(zhì)是什么？是信號的上升斜率和下降斜率。信號斜率（包含信號的上升斜率和下降斜率，這里統(tǒng)稱），信號斜率越慢，則其絕大多數(shù)只能通過導線傳播，它的頻率一般在0-30M Hz之間，這就是我們傳導測試重點測試的地方。信號的斜率越快（一般的頻率在30M Hz-3Z Hz之間，這就是所謂的帶寬）則可以借助天線向空間輻射，這樣的天線可以包括電源的引入線，包括元器件的圓角，包括走線的直角等。

測量哪些內(nèi)容？

EMC測量的內(nèi)容包含2個方面，第一傳導測試，第二輻射測試。傳導測試主要測量引出線，輻射測試主要測試空間4米天線、10米天線兩種。

什么叫ESD測試？

ESD測試是關于靜電測試，當靜電打向產(chǎn)品的時候，產(chǎn)品不會出現(xiàn)異常跑飛的現(xiàn)象的測試。

什么叫噪音？

一般來講，我們把輸入的無用信號，統(tǒng)稱為噪音。最早的時候，由于電源發(fā)出一些聲響，我們把這樣的聲響稱為噪音，但是實際上人耳接受頻段的能力是有限的，2Hz-2KHz。實際上更多的頻段的信息（無用信號）是人耳聽不見的，因此我們把凡是對器件本身無用的信號稱為噪音。簡而言之，一切無用的波形皆為噪音。

那么，構成干擾要有三要素，騷擾源，傳播途徑，敏感設備。騷擾源分兩種，一種是電場的騷擾源，一種是磁場的騷擾源。

從第一大定律去分析，源--這里的源指的騷擾源，騷擾源包括電場引起的擾動，磁場引起的擾動，統(tǒng)稱電磁場引起的擾動。那么從這個頻段角度來說，30M以下的傳導擾動和30M以上的輻射擾動?；芈?-那么30M以下的傳導擾動，它的傳播路徑（回路）是引線，也包含PCB走線；30M以上的擾動，它的傳播路徑是空間，由天線發(fā)射和接收的空間。阻抗--阻抗就是說在回路中對波形衰減的能力稱為阻抗。從兩個大方向去解答，依舊從傳導和輻射來分析。首先，討論下傳導阻抗的問題。傳導的阻抗可以在電路中有兩個方面，第一個方面是差模干擾的問題，第二個是共模干擾的問題。

差模干擾是指兩條電源線之間（wire to wire）的，主要通過選擇合適的電容（X電容，也稱安規(guī)電容），和差模線圈來進行抑制和衰減。共模干擾則是兩條電源線分別對大地（簡稱線對地）的，主要通過選擇合適的電容（Y電容，也是安規(guī)級別的），和共模線圈來進行抑制和衰減。我們常用的低通濾波器，一般會同時具有抑制共模和差模干擾的功能。

如下圖，低通濾波器原理圖。

低通濾波器原理圖

如圖1，3為差模電容，2為共模電感，4為共模電容。

差模干擾是指兩條電源線之間（wire to wire）的，主要通過選擇合適的電容（X電容，也稱安規(guī)電容），和差模線圈來進行抑制和衰減。共模干擾則是兩條電源線分別對大地（簡稱線對地）的，主要通過選擇合適的電容（Y電容，也是安規(guī)級別的），和共模線圈來進行抑制和衰減。我們常用的低通濾波器，一般會同時具有抑制共模和差模干擾的功能。

由于差模電容是接在L和N線兩線之間，那么它和后面的負載實際上是并聯(lián)關系。又由于電容對低頻次的信號有很強的阻礙作用，對高頻次的信號有很強的導通作用，及低阻抗作用。當50Hz-60Hz低頻交流信號流過電容兩端的時候，由于電容的阻抗表現(xiàn)極其大，所以電容不起任何作用，等于沒有這個電容。當差模信號通過的時候（差模信號一般是高頻無用信號），那么電容表現(xiàn)為通路，阻抗很小，在高頻信號下，則電容相當于將后面負載短路，那么后面負載就不會受高頻信號的干擾。如圖差模電容工作原理所以。以上是運用張老師第一大定律源、回路、阻抗來分析差模電容特性。

差模電容工作原理

2為共模電感，這個上面有兩根獨立的線圈，方向相反的繞制在同一個圓形閉合的磁芯上。由于這兩根導線大小相等，反向相反，因此產(chǎn)生的磁場相互抵消了。共模電感和后面中的負載是串聯(lián)關系，當有差分信號通過時（差模信號一般是高頻無用信號），由于電感對電流的變化有阻礙作用，那么此時電感表現(xiàn)為大電阻，而后面負載類似于小電阻，則電感承擔了絕大多數(shù)高次諧波的壓降。根據(jù)電阻分壓原則，后面的負載分得的電壓接近于零。當50Hz-60Hz低頻交流信號流過電感兩端的時候，由于電感的感抗表現(xiàn)極其小，所以電感幾乎不起任何阻礙作用，等于沒有這個電感。所以我們說這個電感對差分信號起作用。如圖共模電感工作原理所示。以上仍然是運用張老師第一大定律源、回路、阻抗來分析共模電感特性。共模電感的感量選型一般在幾百微亨到幾毫亨級別。

共模電感工作原理

4為共模電容，這兩個電容由于分別連接著L和N兩根線且對大地的（不是電路中的地，一般電路中的地為GND，也為浮地，而共模電容的地為大地earth），呈Y型狀，因此而得名。由于Y電容一端連接著大地，那么它和后面負載實際上并聯(lián)關系的。如圖共模電容工作原理，當50Hz-60Hz低頻交流信號流過Y電容兩端的時候，由于電容的阻抗表現(xiàn)極其大，相當于斷路，不導通。當共模信號通過的時候（共模信號一般是高頻無用信號），那么電容表現(xiàn)為通路，阻抗很小，高頻信號通過Y電容到大地，那么后面負載就不會受高頻信號的干擾。以上仍然是運用張老師第一大定律源、回路、阻抗來分析共模電容特性。共模電容的取值一般在2200pF-6800pF，其值越大，越容易解決干擾問題，但是漏電也越大，取值要甚重。

共模電容工作原理

當電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場而相互抵消，此時正常信號電流主要受線圈電阻的影響（和少量因漏感造成的阻尼）;當有共模電流流經(jīng)線圈時，由于共模電流的同向性，會在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強的阻尼效果，以此衰減共模電流，達到濾波的目的。

一般濾波器不單獨使用差模線圈，因為共模電感兩邊繞線不一致等原因，電感必定不會相同，因此能起到一定的差模電感的作用。如果差模干擾比較嚴重，就要追加差模線圈。