電磁干擾

抑制電磁干擾的基本措施

電磁干擾是指電磁能量對電流迴路、儀器、系統或生命組織造成的影響。

EMI 簡 介

2.1 雜訊的定義

雜訊係指除了所需的信號以外而出現在電路內的任何電氣訊號[Motchenbacher and Fitchen, 1973]， 此定義並不包含內部的失真訊號－一種非線性的附屬品。所有電子系統都或多或少有些雜訊， 但只有當雜訊影響到系統的正常執行時才會發生問題。

雜訊的來源可被歸類成三種不同的典型：

1. 人為的雜訊源一數位電子、無線電傳輸、馬達、開關、繼電器等等。
2. 天然的干擾一太陽黑子及閃電。
3. 純質的雜訊源一從實際系統產生的相關隨機擾動，諸如熱雜訊和凸波雜訊。

我們應當瞭解，雜訊是不可能完全被去除的，但是經由適當的接地(grounding)、屏避(shielding)與濾波(filtering)，則可將其干擾儘量降低。對於一個良好的電路設計，預防勝於發生問題後的電路修改。在電路板的佈局即開始做好雜訊防治的工作，是建構高可靠度低雜訊電子系統的首要工作。

2.2 EMI的起源

EMI的來源包括微處理器、開關電路、靜電放電、發射器、暫態電源元件、電源以及閃電。在一個微處理器為基礎的電路板內，數位時序電路通常是寬頻帶雜訊的最大產生者，這所謂的寬頻帶即指分佈於整個頻譜的雜訊。隨著快速半導體以及更快的邊緣變化率的增加，這些電路可能產生高達300 MHz的諧波干擾，這些高頻諧波應予以遮蔽或濾除。

2.3 EMI 傳輸

瞭解雜訊如何傳輸有助於辨識電路內部的電磁干擾問題。雜訊的發生必需要有來源(source)、耦合路徑(coupling path)以及易感染的接收器(susceptible receptor) [Ott, 1988] ，這三者必需一起出現才會有EMI問題的存在，圖1說明EMI如何以耦合方式進入一個系統。因此，若是三者之一被排除於系統之外或被減少，干擾才會消失或降低。圖1是以馬達控制為例的EMI說明，其中功率級至馬達的線圈電流是產生EMI的來源，控制器的低階訊號(數位或類比信號)是易受干擾的接收器，耦合路徑則可能是經由傳導方式(經由電源或地線)或輻射方式。

圖1. EMI的雜訊源、傳導路徑與接收器

圖2. 以馬達控制為例的EMI傳導路徑

2.4 耦合路徑

雜訊會耦合到電路內的較明顯方式之一是透過電導體(傳導方式)。 假如訊號線經過一個充滿雜訊的環境，訊號線將受感應拾取雜訊信號並傳至電路的其它部分， 例如電源供應器的雜訊就會經由電源線而耦合至電路，如圖3所示。

圖3. 傳導耦合雜訊

耦合也會因電路中具有或使用共同阻抗(common impedance)而產生。圖4(a) 的兩個子電路因為有著共同的接地阻抗，因此會彼此影響。另外一種狀況則發生在兩個子電路共同使用同一個電源供應器，圖4(b)即為此種狀況。若是電路(一)突然產生較大的電流，則電路(二)的供應電壓將會因共用電源線間的共同阻抗與內阻而降低。從電路(二)流出之數位迥路電流會在共用之迴路阻抗產生高頻數位雜訊，此雜訊在電路(一)的迴路產生接地跳動，不穩定的接地會嚴重衰減低頻類比電路的訊號雜訊比，像是運算放大器和類比數位轉換器等等。這種藕合效應可藉由降低共同阻抗而減弱(加寬電源線的拉線寬度)，但內阻來自電源供應器則無法改變。此種狀況，在接地迴路的導線也有相同的效應，由此可知電源供應器的輸出阻抗(output impedance)也會影響電路對雜訊的抵抗能力。

圖4. 經由共同組抗而耦合的雜訊

雜訊的耦合也可經由電磁輻射的方式發生，此種狀況會發生在所有具有共同輻射電磁場的電子電路。電流改變就產生電磁波，這些電磁波會耦合到附近的導體並影響電路中的其他信號，如圖5所示。

圖5. 經由電磁輻射耦合的雜訊

2.5 接收器(receptor)

基本上所有的電子電路都會發射EMI同時又受到EMI的干擾，因此電子裝置的設計，應該既不受外在EMI干擾源的影響，本身也不應成為EMI的干擾源，此一設計理念即為電磁相容性(electromagnetic compatibility, EMC)。大多數電子設備的EMI是藉由傳導性方式接收，少數則來自無線電頻率之輻射接收。在數位電路中，最臨限(most critical)的信號通常最易受到EMI的干擾，例如重置、中斷以及控制線路信號。在類比電路中，類比低階放大器、信號轉換器、補償電路等，則對雜訊干擾最為敏感。

2.6 電磁干擾的分類

常見的各種電磁干擾根據干擾的現象和信號特征不同有以下分類方法：

　　(一)按其來源分類

　　1.自然干擾。自然干擾是指由於大自然現象所造成的各種電磁雜訊。

　　2.人為干擾。由於電子設備和其他人工裝置產生的電磁干擾。

　　(二)按干擾功能分類

　　1．有意干擾。是指人為了達到某種目的而有意識製造的電磁干擾信號。這是當前電子戰的重要手段。

　　2.無意干擾。是指人在無意之中所造成的干擾，如工業用電、高頻及微波設備等引起的干擾等。

　　(三)按干擾出現的規律分類

　　1.固定干擾。多為鄰近電氣設備固定運行時發出的干擾。

　　2.半固定干擾。偶爾使用的設備(如行車、電鑽等)引起的干擾。

　　3.隨機干擾。無法預計的偶發性干擾。

　　(四)按耦合方式分類

　　在實際使用和相關的法規中，通常按照耦合方式的不同來進行分類：

　　1.傳導干擾。傳導干擾是指電磁雜訊的能量在電路中以電壓或電流的形式，通過金屬導線或其他元件(如電容器、電感器、變壓器等)耦合到被干擾設備(電路)。

　　2.輻射干擾。輻射干擾是指電磁雜訊的能量以電磁場能量的形式，通過空間輻射傳播，耦合到被干擾設備(或電路)。

2.7 抑制電磁干擾的基本措施

1.屏蔽

　　在檢測系統或電子裝置中，有時需要將電力線或磁力線的影響限定在某個範圍或阻止它們進入某個範圍。

　　這種將防止靜電的或電磁的相互感應所採用的上述措施稱為“屏蔽”。屏蔽的目的是隔斷“場”的耦合，即抑制各種場的干擾。

　　屏蔽的種類可分為靜電屏蔽，電磁屏蔽和磁屏蔽。

　　2.接地

　　將電路、單元與充作信號電位公共參考點的接地面實行低阻抗連接，稱為接地。將電路、設備的地線或接地面與大地實行低阻抗連接稱為接大地。

　　在電子設備中，接地是抑制干擾的主要方法之一。若能把屏蔽、濾波和接地正確地結合起來使用，就能較好地解決大部分雜訊干擾問題。所以，對接地的設計、接地方式的選擇相接地工藝技術必須充分的註意。

　　3.對稱電路

　　對稱電路又稱平衡電路。它是指雙線電路中的兩根導線與連接到這兩根導線的所有電路，對地或對其它導線的結構對稱，且對應的阻抗相等,使負載上的雜訊電壓互相抵消.

　　4.隔離技術

　　(1)電磁隔離

　　(2)光電隔離

　　(3)隔離放大器

　　5. 濾波

　　濾波是一種只允許某一頻帶信號通過或只阻止某一頻帶信號通過的抑制干擾措施之一。

　　(1)電源濾波：交流和直流兩種供電方式，不管哪種供電方式都可能由電源本身和電源線引進干擾

　　(2)信號濾波：從工業現場檢測得到的信號，經傳輸線送入電子設備或微機的介面電路。在獲取和傳輸信號的過程中，可能會引進干擾。

　　(3)有源濾波：它與無源濾波器相比，具有能對信號提供一定的增益和緩衝作用(運算放大器具有高輸入阻抗和低輸出阻抗)；它不用電感元件，所以能具有線性特性，且損耗、體積都小等優點。但它的帶寬有限。有源濾波器有低通、高通、帶通、帶阻和移相五種類型。

　　(4)數字濾波：在應用微機構成的檢測或控制系統中，當能估計到可能調人微機系統的干擾性質時，可選用有針對性的應用軟體濾波，即數字濾波。這種方法在抑制低頻干擾和隨機出現的尖脈衝干擾中，具有明顯的優越性。

2.8 解決EMC的系統設計

電子設備的電磁相容性(EMC)應被視為系統規格來預先考慮而非事後補救。一個電子設備如果它與環境不會相互影響，即具備電氣相容性。如果設計工程師未能在設計初期及慎重考慮此一問題，那麼雖然因忽略EMI的設計而縮短了設計時間，並且完成功能測試而量產，然而在產品上市之後，不明的EMI干擾現象就非預期地出現了。這種產品危機的解決方法通常會受到相當的挫折，增加不必要的虛耗及產品後續改善時間的延長，這都浪費時間、金錢與耐性，其結果常導致產品的失敗。

EMC 應該如同其他被確認的系統規格一樣納入系統的裡設計規格，事實上有些機構，像是美國聯邦通訊委員會 (FCC)、軍方及國際性機構都為一般電腦設備設立標準，設計者應根據這些規格事先納入考慮，並設計產品原型加以測試。因此， EMC在系統設計時應優先考慮，而非在問題發生後才加東拼西湊的加以補救， EMC的系統設計應成為一種符合經濟效益的設計觀念。

電磁干擾的防治雖然有很多方法，但主要可歸納為兩種不同的型式：降低電磁干擾的散佈與提高增電磁干擾的免疫能力。經由適當的系統設計可以抑制電磁干擾的散佈；如果問題仍然持續，就得研究不同方式的遮蔽去包住發射體。電路對雜訊的敏感性可藉由電路設計的加強以及使用遮蔽物來降低電路對電磁干擾敏感性。以下有關 PCB佈局技術的討論著重於以 PCB 的佈線原則來降低發射體雜訊的強度與提昇電路對雜訊的免疫能力。