電磁干擾

自從電子系統降噪技術在70 年代中期出現以來，主要由於美國聯邦通訊委員會在1990 年和歐盟在1992 提出了對商業數碼產品的有關規章，這些規章要求各個公司確保它們的產 品符合嚴格的磁化係數和發射準則。符合這些規章的產品稱為具有電磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）。

電磁干擾EMI(Electromagnetic Interference)，有傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合（干擾）到另一個電網絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合（干擾）到另一個電網絡。在高速PCB及系統設計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發射電磁波並影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。

所謂“干擾”，電磁兼容指設備受到干擾後性能降低以及對設備產生干擾的干擾源這二層意思。第一層意思如雷電使收音機產生雜音，摩托車在附近行駛後電視畫面出現雪花，拿起電話後聽到無線電聲音等，這些可以簡稱其為與“BC I” “TV I” “Tel I”，這些縮寫中都有相同的“I”（干擾）（BC：廣播）

那麼EMI標準和EMI檢測是EMI的哪部分呢？理所當然是第二層含義，即干擾源，也包括受到干擾之前的電磁能量。

其次是“電磁”。電荷如果靜止，稱為靜電。當不同的電荷向一致移動時，便發生了靜電放電，產生電流，電流周圍產生磁場。如果電流的方向和大小持續不斷變化就產生了電磁波。

電以各種狀態存在，我們把這些所有狀態統稱為電磁。所以EMI標準和EMI檢測是確定所處理的電的狀態，決定如何檢測，如何評價。

干擾源的分類方法很多。

1.1、一般説來電磁干擾源分為兩大類：自然干擾源和人為干擾源。

自然干擾源主要來源於大氣層的天電噪聲、地球外層空間的宇宙噪聲。他們既是地球電磁環境的基本要素組成部分，同時又是對無線電通訊和空間技術造成干擾的干擾源。自然噪聲會對人造衞星和宇宙飛船的運行產生干擾，也會對彈道導彈運載火箭的發射產生干擾。

人為干擾源是由機電或其他人工裝置產生電磁能量干擾，其中一部分是專門用來發射電磁能量的裝置，如廣播、電視、通信、雷達和導航等無線電設備，稱為有意發射干擾源。另一部分是在完成自身功能的同時附帶產生電磁能量的發射，如交通車輛、架空輸電線、照明器具、電動機械、家用電器以及工業、醫用射頻設備等等。因此這部分又成為無意發射干擾源。

功能性干擾源係指設備實現功能過程中造成對其他設備的直接干擾；非功能性干擾源是指用電裝置在實現自身功能的同時伴隨產生或附加產生的副作用，如開關閉合或切斷產生的電弧放電干擾。

1.3、從電磁干擾信號頻譜寬度，可以分為寬帶干擾源和窄帶干擾源。

他們是相對於指定感受器的帶寬大或小來加以區別的。

干擾信號的帶寬大於指定感受器帶寬的成為寬帶干擾，反之稱為窄帶干擾源。

1.4、從干擾信號的頻率範圍來分

可以把干擾源分為工頻與音頻干擾源（50Hz及其諧波）、甚低頻干擾源（30Hz以下）、載頻干擾源（10kHz~300kHz）、射頻及視頻干擾源（300kHz）、微波干擾源（300MHz~100GHz）。

電磁干擾傳播途徑一般也分為兩種：即傳導耦合方式和輻射耦合方式。

任何電磁干擾的發生都必然存在干擾能量的傳輸和傳輸途徑（或傳輸通道）。通常認為電磁干擾傳輸有兩種方式：一種是傳導傳輸方式；另一種是輻射傳輸方式。因此從被幹擾的敏感器來看，干擾耦合可分為傳導耦合和輻射耦合兩大類。

傳導傳輸必須在干擾源和敏感器之間有完整的電路連接，干擾信號沿着這個連接電路傳遞到敏感器，發生干擾現象。這個傳輸電路可包括導線，設備的導電構件、供電電源、公共阻抗、接地平板、電阻、電感、電容和互感元件等。

輻射傳輸是通過介質以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁場的規律向周圍空間發射。常見的輻射耦合由三種：1. 甲天線發射的電磁波被乙天線意外接受，稱為天線對天線耦合；2. 空間電磁場經導線感應而耦合，稱為場對線的耦合；3.兩根平行導線之間的高頻信號感應，稱為線對線的感應耦合。

在實際工程中，兩個設備之間發生干擾通常包含着許多種途徑的耦合。正因為多種途徑的耦合同時存在，反覆交叉耦合，共同產生干擾，才使電磁干擾變得難以控制。

敏感設備是對干擾對象統稱，它可以是一個很小的元件或一個電路板組件，也可以是一個單獨的用電設備甚至可以是一個大型系統。

電磁干擾也是變頻器驅動系統的一個主要問題。在許多國家，尤其在歐洲，對任何系統可能散發的電磁干擾有嚴格的限制。由於數碼渦旋壓縮機的加載和卸載是機械操作，數碼渦旋系統產生的電磁干擾可忽略不計。這一獨特的特性，不僅使數碼系統無需昂貴的電磁抑制電子裝置，也增加了其可靠性和簡易性。對電站、廣播、電視、通信、導航、精密設備、醫院、地鐵控制裝置等場所更適用，更環保。

電磁干擾源包括微處理器、微控制器、傳送器、靜電放電和瞬時功率執行元件，如機電式繼電器、開關電源、雷電等。在微控制器系統中，時鐘電路是最大的寬帶噪聲發生器，而這個噪聲被擴散到了整個頻譜。隨着大量的高速半導體器件的發展，其邊沿跳變速率很快，這種電路將產生高達300 MHz的諧波干擾。

噪聲被耦合到電路中最容易被通過的導體傳遞，如圖所示為分析電磁干擾機制。如果一條導線經過一個充滿噪聲的環境，該導線會感應環境噪聲，並且將它傳遞到電路的其餘部分。噪聲通過電源線進入系統，由電源線攜帶的噪聲就被傳遞到了整個電路，這是一種耦合情況。

耦合也發生在有共享負載（阻抗）的電路中。例如兩個電路共享一條提供電源的導線或一條接地導線。如果其中一個電路需要一個突發的較大電流，而兩個電路共享電源線，等效接入同一個電源內阻，電流的不平衡會導致另一個電路的電源電壓下降。該耦合的影響可以通過減少共同的阻抗來削減。但電源內阻和接地導線是固定不變的。若接地不穩定，一個電路中流動的返回電流就會在另一個電路的接地迴路中產生地電位的變動，地電位的變動將會嚴重降低模/數轉換器、運算放大器和傳感器等低電平模擬電路的性能。

另外，電磁波的輻射存在於每個電路中，這就形成了電路間的耦合。當電流改變時，就會產生電磁波。這些電磁波能耦合到附近的導體中，並且干擾電路中的其他信號。

所有的電子電路都可能受到電磁干擾。雖然一部分電磁干擾是以射頻輻射的方式被直接接受的，但大多數電磁干擾是通過瞬時傳導被接受的。在數字電路中，復位、中斷和控制信號等臨界信號最容易受到電磁干擾的影響。控制電路、模擬的低級放大器和電源調整電路也容易受到噪聲的影響。

發射和抗干擾都可以根據輻射和傳導的耦合來分類。輻射耦合在高頻中十分常見，而傳導耦合在低頻中更為常見。

發射機與接收機之間的輻射耦合是由電磁能量通過輻射途徑傳輸而產生的。例如來自附近設備的電磁能量通過直接輻射產生的耦合，或者自然界的與類似的電磁環境耦合進入接收機。

發射機與接收機之間的傳導耦合經由連接兩者之間的直接導電通路完成。例如當發射機與接收機共享同一電源線供電時，干擾會經電源線傳送；其他傳播途徑還有信號線或控制線等。

為了進行電磁兼容性設計，達到電磁兼容性標準，其目的是將輻射減到最小，即降低產品中泄露的射頻能量，同時增強其對輻射的抗干擾能力。

通過如圖所示的電磁干擾模型，很容易找到抑制電磁干擾的方法，其方法如下：

· 設法降低電磁波輻射源或傳導源；

· 切斷耦合路徑；

· 增加接收器的抗干擾能力。

實際工程中遇到電磁干擾問題時，應該以邏輯性的分析來探討這一問題。不言而喻，只要存在干擾，就必然有干擾源、耦合路徑和受擾對象這3個要素。因此，在解決電磁兼容問題時，也要從這3個要素入手進行分析。一般而言，設計一個性能良好的PCB以降低射頻能量是最經濟有效的方法。而第2個和第3個要素傾向於採用屏蔽技術處理。這在後面會講述到相關內容。

理論和實踐的研究表明，不管複雜系統還是簡單裝置，任何一個電磁干擾的發生必須具備三個基本條件：首先應該具有干擾源；其次有傳播干擾能量的途徑和通道；第三還必須有被幹擾對象的響應。在電磁兼容性理論中把被幹擾對象統稱為敏感設備（或敏感器）。

因此干擾源、干擾傳播途徑（或傳輸通道）和敏感設備稱為電磁干擾三要素。

(1)利用屏蔽技術減少電磁干擾。為有效的抑制電磁波的輻射和傳導及高次諧波引發的噪聲電流， 在用變頻器驅動的電梯電動機電纜必須採用屏蔽電纜，屏蔽層的電導至少為每相導線芯的電導線的 1/10，且屏蔽層應可靠接地。控制電纜最好使用屏蔽電纜；模擬信號的傳輸線應使用雙屏蔽的雙絞線；不同的模擬 信號線應該獨立走線，有各自的屏蔽層。以減少線間的耦合，不要把不同的模擬信號置於同 一公共返回線內；低壓數字信號線最好使用雙屏蔽的雙絞線，也可以使用單屏蔽的雙絞線。模擬信號和數字信號的傳輸電纜，應該分別屏蔽和走線應使用短 。

(2)利用接地技術消除電磁干擾。要確保電梯控制櫃中的所有設備接地良好，而粗的接地線．連接到電源進線接地點(PE)或接地母排上。特別重要的是，連接到變頻器的任何電子控制設備都要與其共地，共地時也應使用短和粗的導線。同時電機電纜的地線應直 接接地或連接到變頻器的接地端子(PE)。上述接地電阻值應符合相關標準要求。

(3)利用佈線技術改善電磁干擾。電動機電纜應獨立於其它電纜走線，同時應避免電機電纜與其它電纜長距離平行走線，以減少變頻器輸出電壓快速變化而產生的電磁干擾； 控制電纜和電源電纜交叉時，應儘可能使它們按 90°角交叉，同時必須用合適的線夾將電機電纜和控制電纜的屏蔽層固定到安裝板上。

(4)利用濾波技術降低電磁干擾。利用進線電抗器用於降低由變頻器產生的諧波，同時也可用於增加電源阻抗，並幫助吸收附近設備投入工作時產生的浪湧電壓和主電源的尖峯電壓。進線電抗器串接在電源和變頻器功率輸入端之間。當對主電源電網的情況不瞭解時，最好加進線電抗器。在上述電路中還可以使用低通頻濾波器(FIR 下同)，FIR 濾波器應串接在 進線電抗器和變頻器之間。對噪聲敏感的環境中運行的電梯變頻器， 採用 FIR 濾波器可以有效減小來自變頻器傳導中的輻射干擾。

(5)照明線干擾、電機反饋的干擾過大、系統電源線受干擾的現場，通過以上各種接地無法消除通訊干擾，可以使用磁環對干擾進行抑制，按以下方法順序進行增加磁環，通訊恢復正常為止： 1、如照明的兩根電源線同時斷開如通訊恢復正常，請在控制櫃下照明的兩線上增加一磁環，纏繞3 圈（孔徑20到30，厚10，長20左右的磁環）。如斷開照明線並無效果説明照明線並不干擾通訊，不作處理。 2、在通訊線C+、C-上從主板出線處增加一磁環，纏繞一圈。注意只能纏繞一圈，多纏後轎廂通訊顯示會變好但轎廂傳來的有效信號大部分濾掉，造成轎廂內選登記不上。3、在主板輸出給轎廂、呼梯的24V電源和0V地線上增加一磁環纏繞2到3圈。 4、在運行接觸器與電機之間三相線各加一磁環纏繞一圈 。 經過以上方法增加磁環後能處理現場的電源、電機、照明干擾。

(6) 磁環材料的選擇: 根據干擾信號的頻率特點可以選用鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體，以選用鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體， 前者的高頻特性優於後者。錳鋅鐵氧體的磁導率在幾千---上萬，而鎳鋅鐵氧體為幾百---上千。鐵氧體的磁導率越高，其低頻時的阻抗越大，高頻時的阻抗越小。所以，在抑制高頻干擾時，宜選用鎳鋅鐵氧體；反之則用錳鋅鐵氧體。 或在同一束電纜上同時套上錳鋅和鎳鋅鐵氧體，這樣可以抑制的干擾頻段較寬。磁環的尺寸選擇: 磁環的內外徑差值越大，縱向高度越大，其阻抗也就越大，但磁環內徑一定要緊包電纜，避免漏磁。 磁環的安裝位置: 磁環的安裝位置應該儘量靠近干擾源，即應緊靠電纜的進出口。

開關電源、中的電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾兩種。通常傳導干擾比較好分析，可以將電路理論和數學知識結合起來，對電磁干擾中各種元器件的特性進行研究;但對輻射干擾而言，由於電路中存在不同的干擾源的綜合作用，又涉及到電磁場理論，分析起來比較困難。

傳導干擾可分為共模(CM)干擾和常模(DM)干擾。由於寄生參數的存在以及開關電源中開關器件的高頻開通與關斷，開關電源在其輸入端(即交流電網側)產生較大的共模干擾和常模干擾。

變換器工作在高頻情況時，由於dvldt很高，激發變壓器繞組間以及開關管與散熱片間的寄生電容，從而產生共模干擾。

(1)優化電路元器件佈置，儘量減少寄生、糯合電容。

(2)延緩開關的開通、關斷時間，但這與開關電源高頻化的趨勢不符。

(3)應用緩衝電路，減緩dv/dt的變化率。變換器中的電流在高頻情況下作開關變化，從而在輸人、輸出的濾波電容上產生很高的dv/dt，即在濾波電容的等效電感或阻抗上感應出干擾電壓，這時就會產生常模干擾。故選用高質量的濾波電容(等效電感或阻抗很低)可以降低常模干擾。

輻射干擾又可分為近場干擾[測量點與場源距離<λ/6(λ為干擾電磁波波長)]和遠場干擾(測量點與場源距離>λ/6)。由麥克斯韋電磁場理論可知，導體中變化的電流會在其周圍空間產生變化的磁場，而變化的磁場又產生變化的電場。兩者都遵循麥克斯韋方程式。而這一變化電流的幅值和頻率決定了產生電磁場的大小以及其作用範圍。在輻射研究中天線是電磁輻射源，在開關電源電路中，主電路中的元器件、連線都可以認為是天線，可以應用電偶極子和磁偶極子理論來分析。分析時，二極管、開關管、電容等可看成電偶極子;電感線圈可以認為是磁偶極子，再以相關的電磁場理論進行綜合分析就可以了。

需要注意的是，不同支路的電流相位不一定相同，在磁場計算時這一點尤其重要。相位不同，一是因為干擾從干擾源傳播到測量點存在時延作用(也稱遲滯效應);二是因為元器件本身的特性導致相位不同。如電感中電流相位比其他元器件要滯後。遲滯效應引起的相位滯後是信號頻率作用的結果，僅在頻率很高時作用才較明顯(如GHz級或更高);對於功率電子器件而言，頻率相對較低，故遲滯效應作用不是很大。

在開關電源產生的兩類干擾中，傳導干擾由於經電網傳播，會對其他電子設備產生嚴重的干擾，往往引起更嚴重的問題。常用的抑制方法有緩衝器法，減少搞合路徑法，減少寄生元件法等。近年來，隨着對電子設備電磁干擾的限制越來越嚴格，又出現了一些新的抑制方法，主要集中在新的控制方法與新的無源緩衝電路的設計等幾個方面。

干擾是根據開關頻率變化的，干擾的能量集中在這些離散的開關頻率點上，所以很難滿足抑制電磁干擾(EMI)的要求。通過將開關信號的能量調製分佈在一個很寬的頻帶上，產生一系列的分立邊頻帶，則干擾頻譜可以展開，干擾能量被分成小份分佈在這些分立頻段上，從而更容易達到EMI標準。調製頻率控制就是根據這種原理實現對開關電源電磁干擾的抑制。

最初人們採用隨機頻率控制，其主要思想是在控制電路中加入一個隨機擾動分量，使開關間隔進行不規則變化。則開關噪聲頻譜由原來離散的尖峯脈衝噪聲變成連續分佈噪聲，其峯值大大下降。具體辦法是，由脈衝發生器產生兩種不同佔空比的脈衝，再與電壓放大器產生的誤差信號進行採樣選擇產生最終的控制信號。

但是，隨機頻率控制在開通時基本上採用PWM控制的方法，在關斷時才採用隨機頻率，因而其調製干擾能量不便控制，抑制干擾的效果不是很理想。而最新出現的調製頻率控制很好地解決了這些問題，其原理是，將主開關頻率進行調製，在主頻帶周圍產生一系列的邊頻帶，從而將噪聲能量分佈在很寬的頻帶上，降低了干擾。這種控制方法的關鍵是對頻率進行調製，使開關能量分佈在邊頻帶的範圍，且幅值受調製係數β的影響(調製係數β=△f/fm，△f為相鄰邊頻帶間隔，fm為調製頻率)，一般β越大調製效果越好。