計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的電磁兼容性

【摘　要】　計(jì)算機(jī)的高速化、高靈敏化、高密度集成化，使計(jì)算機(jī)電磁兼容性問題更加突出。高速化帶來寬帶噪聲，高靈敏度使原可略去的弱小噪聲不可忽略，高密度集成化增加了內(nèi)部的耦合干擾，系統(tǒng)化使干擾問題更為惡化。因此，掌握電磁兼容技術(shù)，使產(chǎn)品具有良好的電磁兼容性，已經(jīng)成為現(xiàn)代電子工程師所面臨的重大挑戰(zhàn)。
　　關(guān)鍵詞：電磁兼容性，串模干擾，共模干擾

　　數(shù)字計(jì)算機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)，它含有多種元器件和分系統(tǒng)。外來電磁輻射以及內(nèi)部器件之間、分系統(tǒng)之間、各傳送通道間的相互串?dāng)_對(duì)計(jì)算機(jī)及其數(shù)據(jù)信息所產(chǎn)生的干擾與破壞，嚴(yán)重地威脅著計(jì)算機(jī)工作的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。同時(shí)，計(jì)算機(jī)作為高速運(yùn)行的電子設(shè)備，又不可避免地向外輻射電磁，對(duì)環(huán)境中的人體、設(shè)備產(chǎn)生干擾、妨礙或損傷。因此，研究計(jì)算機(jī)與電磁環(huán)境的兼容性是電磁兼容性領(lǐng)域里的重要方面。
1　計(jì)算機(jī)電磁兼容性問題的特殊性
　　數(shù)字計(jì)算機(jī)以高速運(yùn)行及傳送數(shù)字邏輯信號(hào)為兩大特征，因而在電磁兼容性問題的研究中與其它電子設(shè)備相比，具有許多特殊性。數(shù)字計(jì)算機(jī)中以數(shù)字電路為主，隨著集成電路進(jìn)入了0．18μm及更微細(xì)深亞微米工藝，CPU的工作頻率不斷提升，功耗要求更低，加上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的高速化、寬帶化、海量化，以及大容量可編程專用器件的廣泛運(yùn)用等，這一切使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以低電平傳送信號(hào)時(shí)，在電磁環(huán)境中更易受內(nèi)部及外部干擾，成為干擾信號(hào)的敏感接收裝置。
　　干擾對(duì)數(shù)字電路與模擬電路的影響有本質(zhì)上的不同：對(duì)模擬電路的影響是連續(xù)的，隨干擾強(qiáng)度的增大而加大，干擾消失后可恢復(fù)原狀態(tài)；而數(shù)字電路是邏輯工作方式，存在閾值電平及與之相對(duì)應(yīng)的干擾容限（又稱噪聲容限），只有超過這一容限的干擾信號(hào)才有危害，比模擬電路有利。數(shù)字計(jì)算機(jī)有存儲(chǔ)功能、判斷功能及高速運(yùn)算功能，這為抗電磁干擾的設(shè)計(jì)提供了有利條件。但是也可能帶來嚴(yán)重的弊端，如在模擬電路中，瞬時(shí)干擾消失后系統(tǒng)可恢復(fù)正常工作，而在存儲(chǔ)記憶功能的數(shù)字電路系統(tǒng)中，瞬時(shí)干擾信號(hào)會(huì)產(chǎn)生誤碼和數(shù)據(jù)丟包甚至死機(jī)。
　　數(shù)字計(jì)算機(jī)傳送的是脈沖信號(hào)，同時(shí)也易對(duì)脈沖敏感。以開關(guān)模式工作的開關(guān)及開關(guān)電源，其變化頻率高達(dá)幾十萬赫，容易在內(nèi)外產(chǎn)生脈沖干擾。因此，脈沖干擾是研究的重點(diǎn)。
　　數(shù)字計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作頻率范圍很寬（150kHz～500MHz），包含了中波、短波、超短波及微波前端，正好與各種通信、電視、醫(yī)療、軍用儀器同頻段，電磁環(huán)境復(fù)雜，被干擾的可能性極大，當(dāng)其電磁輻射空間場強(qiáng)超過126dB時(shí)，將對(duì)計(jì)算機(jī)構(gòu)成嚴(yán)重干擾，計(jì)算機(jī)受害的程度取決于干擾的頻率、場強(qiáng)及計(jì)算機(jī)自身的電磁敏感度，為了安全可靠，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)按要求的最小帶寬設(shè)計(jì)。
　　計(jì)算機(jī)是個(gè)低電平系統(tǒng)，但是卻能產(chǎn)生上千、上萬伏的瞬時(shí)電壓，RAM正常工作時(shí)耗電電流很小，但是在瞬間的高低電平轉(zhuǎn)換時(shí)，一片RAM能有幾十mA的電流，若變化時(shí)間僅有數(shù)個(gè)ns，則由于di／dt太大，那么對(duì)于大型和巨型的電源系統(tǒng)就有上百安培的動(dòng)態(tài)變化量。發(fā)現(xiàn)和尋找計(jì)算機(jī)干擾源的辦法是尋找產(chǎn)生高頻及電流電壓發(fā)生瞬時(shí)變化（di／dt，du／dt值大）的部位。通常計(jì)算機(jī)產(chǎn)生出有威脅的干擾部位是時(shí)鐘發(fā)生器。
2　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的電磁干擾形式和抑制方法
　　干擾侵入計(jì)算機(jī)的主要途徑有電源系統(tǒng)、傳導(dǎo)通路、對(duì)空間電磁波的感應(yīng)三方面（包括內(nèi)部空間的靜電場、磁場的感應(yīng)），如圖1所示。

　　其中，靜電場、磁場的感應(yīng)在計(jì)算機(jī)內(nèi)普遍存在，靜電是MOS電路的大敵。由于機(jī)器內(nèi)有大量的磁媒體，同時(shí)計(jì)算機(jī)工作于低電壓大電流方式（3．3V、5V、幾百安），電源線、輸入輸出線構(gòu)成高速大電流回路，故有較強(qiáng)的磁感應(yīng)。
　　由于高速性、高密集性和邏輯工作狀態(tài)，使得計(jì)算機(jī)中使用的傳輸線常需注意按具有分布參數(shù)特性的長線的理論去考慮，長線有延時(shí)、波形畸變、受外界干擾等三方面問題，因此應(yīng)采取屏蔽與匹配措施，甚至于印制電路板上的走線也要按下面公式驗(yàn)證后再?zèng)Q定是否按長線處置：
　　Lc＝Tr／2Tp
式中，Lc—臨界長度；Tr—上升時(shí)間；Tp—延遲時(shí)間。
　　當(dāng)線長大于Lc時(shí)，按長線處理，Lc的數(shù)值實(shí)質(zhì)上是頻率和波行的函數(shù)。
　　計(jì)算機(jī)中的串模與共模是干擾信號(hào)的兩種形態(tài)，在計(jì)算機(jī)中常用此來表征干擾作用的存在。如圖2所示。
　　串模干擾是指串聯(lián)于信號(hào)回路中的干擾，產(chǎn)生于傳輸線的互感，和頻率有關(guān)，常用濾波和改善采樣頻率來減少。共模干擾是干擾電壓同時(shí)加到兩條信號(hào)線上出現(xiàn)的干擾，因此線路傳輸結(jié)構(gòu)保持平衡能很好地抑制共模干擾。另外，消除地電流，也能消除共模干擾。消除地電流的辦法是一點(diǎn)接地或浮空隔離（脈沖變壓器、扼流圈或光耦合器截?cái)嗟仉娏鳎?。共模干擾要變成串模干擾才能對(duì)電路起作用。
　　影響計(jì)算機(jī)電磁兼容性的因素見下式：　　

式中，N（w）—干擾對(duì)設(shè)備的影響；G（w）—干擾源的強(qiáng)弱；C（w）—干擾傳輸?shù)鸟詈弦蛩?；I（w）—受干擾設(shè)備的抗干擾能力，即敏感度閾值。
　　上式說明影響計(jì)算機(jī)受干擾程度的因素有三個(gè)方面，它們都是頻率的函數(shù)。公式提示了提高抗干擾能力的原理是：（1）切斷干擾源，即減少G（w）；（2）減小耦合，即減小C（w）；（3）提高受干擾設(shè)備的敏感度閾值，即加大I（w）。在實(shí)際情況中，往往是三個(gè)因素綜合考慮，并按（1）（2）（3）的順序去采取措施，以獲得最佳的效果。
　　硬件法、軟件法、軟硬件結(jié)合法是計(jì)算機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)的三種方法，其中軟件法和軟硬件結(jié)合法是計(jì)算機(jī)突出的特點(diǎn)和獨(dú)到之處。這兩個(gè)方法應(yīng)用的前提是硬件不被破壞、程序不受干擾和RAM中的重要數(shù)據(jù)未被破壞。因?yàn)檐浖嬖谟?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/rom/" target="_blank">ROM、RAM中，抗干擾的軟件需要靠硬件去控制執(zhí)行。
　　巨型、大型計(jì)算機(jī)定型后，存在的電磁兼容性問題便主要是機(jī)房屏蔽、接地和因運(yùn)行速度提高后帶來的一系列電磁兼容性問題。研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電磁兼容性問題應(yīng)研究計(jì)算機(jī)本身（含電源）、總線、接口、A／D（D／A）及傳輸線的干擾、抗干擾。采用光纖電路抗電磁脈沖干擾是最理想的途徑。光束傳輸信號(hào)和處理信號(hào)利用了光技術(shù)所具有的高密集度傳送信息，不受電磁感應(yīng)噪聲影響。導(dǎo)體上感應(yīng)的以電流或電壓形式出現(xiàn)的脈沖都不能通過光學(xué)纖維進(jìn)行傳輸，光信號(hào)的頻率與電磁脈沖的頻率相隔很遠(yuǎn)，互相不會(huì)發(fā)生干擾，能確保信號(hào)的完整性。
3　數(shù)字工程師應(yīng)正確理解和處理高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的EMC問題
　　對(duì)于數(shù)字工程師來說，理解和處理EMC問題確實(shí)存在一定的困難，而更糟糕的是一些數(shù)字工程師根本不相信EMC。在最近的西雅圖IEEE電磁兼容性（EMC）年會(huì)上就討論了五種數(shù)字工程師容易誤解的觀點(diǎn)。正確認(rèn)識(shí)這五種觀點(diǎn)有助于理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)。
　?。?）數(shù)字工程師不相信電流是循環(huán)的。從數(shù)字簡圖上可以看出，邏輯網(wǎng)上的數(shù)字信號(hào)是在門之間傳遞的，這些信號(hào)是以電子流的形式實(shí)現(xiàn)傳遞的，而電子流也總是循環(huán)流動(dòng)的，但是在簡圖中并沒有示意返回信號(hào)流的路徑。

　　許多數(shù)字工程師都相信返回的路徑是不相干的。如果邏輯驅(qū)動(dòng)器充當(dāng)電壓源，而輸入充當(dāng)電壓接收器，他們則推論出擔(dān)心電流的原因。
　?。?）數(shù)字工程師不相信H場?，F(xiàn)在的高速數(shù)字系統(tǒng)電路是低阻抗的，接近50歐姆，大大低于377歐姆的自由空間阻抗，而數(shù)字電路周圍的大多數(shù)近場能量則處于磁場狀態(tài)，并非電子場狀態(tài)，因此高速數(shù)字系統(tǒng)中的交叉干擾、接地逆跳和干擾問題涉及電流、磁場和電感的循環(huán)。在EMC世界中，數(shù)字電路板周圍的近場能量大多數(shù)是磁性的。
　　（3）數(shù)字工程師不相信門是差動(dòng)放大器。典型的產(chǎn)品數(shù)據(jù)單中是采用絕對(duì)伏特單位對(duì)輸入電壓的靈敏度進(jìn)行評(píng)定的，但是就門僅僅對(duì)應(yīng)于輸入引腳電壓和指定的參考引腳電壓之間的區(qū)別而言，沒有作出明確的說明，另外，也不明確哪一個(gè)是指定的參考引腳。（對(duì)于TTL來說，指陰極電源干線；對(duì)ECL來說，指陽極線。）
　　這種概念的不明確使許多工程師認(rèn)為門可以感知“絕對(duì)零”伏特，就好象具有魔力的電線從芯片中引出，連接到地球的中心，從而找出“真正的”接地參考電壓。因而，他們無法理解系統(tǒng)中的兩點(diǎn)接地電壓不相等時(shí)所產(chǎn)生的問題。
　　大多數(shù)的數(shù)字工程師都沒有花時(shí)間去考慮系統(tǒng)中不同的接地電壓的存在，以及對(duì)性能產(chǎn)生的效應(yīng)，或者實(shí)現(xiàn)接地移動(dòng)的機(jī)制。
　?。?）數(shù)字工程師不相信電磁波。盡管在工作中會(huì)遇到大量的有關(guān)電磁場的實(shí)例，但許多的數(shù)字工程師仍不相信數(shù)字系統(tǒng)中產(chǎn)生過這種效應(yīng)，其根源在于波動(dòng)不存在于Spice設(shè)備中。一代電路設(shè)計(jì)者相信基于Spice的軟件仿真世界是真實(shí)條件下運(yùn)作的真實(shí)電路的表現(xiàn)，但他們不理解這是有限制性的。
　　（5）數(shù)字工程師不相信理解EMC有助于自身的事業(yè)發(fā)展。

1　沙　斐．信息技術(shù)設(shè)備的電磁輻射及其抑制．安全與電子兼容，2000（3）