電子線路與電磁兼容設計 (完整版)

現代的電子產品，功能越來越強大，電子線路也越來越復雜，以前在電子線路設計中很少出現的電磁干擾(EMI)和電磁兼容性(EMC)問題，現在反而變成了主要問題，電路設計對設計師的技術水平要求也越來越高。CAD(計算機輔助設計)在電子線路設計方面的應用，很大程度地拓寬了電路設計師的工作能力，但電磁兼容設計，盡管目前采用了世界上最先進的CAD技術，還是很難幫得上忙。

電磁兼容設計實際上就是針對電子產品中產生的電磁干擾(Electromagnetic Interference)進行優化設計，使之能成為符合各國或地區電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)標準的產品。EMC的定義是：在同一電磁環境中，設備能夠不因為其它設備的干擾影響正常工作，同時也不對其它設備產生影響工作的干擾。

電磁干擾(Electromagnetic Interference)一般都分為兩種，傳導干擾和輻射干擾。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。因此對EMC問題的研究就是對干擾源、耦合途徑、敏感設備三者之間關系的研究。

自從電子系統降噪技術在70年代中期出現以來，主要由于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系數和發射準則。符合這些規章的產品稱為具有電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。目前全球各地區基本都設置了EMC相應的市場準入認證，用以保護本地區的電磁環境和本土產品的競爭優勢。如：北美的FCC、NEBC認證、歐盟的CE認證、日本的VCCEI認證、澳洲的C-tick人證、***的BSMI認證、中國的3C認證等都是進入這些市場的“通行證”。

很多人從事電子線路設計的時候，都是從認識電子元器件開始，但從事電磁兼容設計的時候卻無從下手。實際上從事電磁兼容設計是從電磁場理論開始，即從電磁感應認識開始。

一、電磁感應與電磁干擾

一般電子線路都是由電阻器、電容器、電感器、變壓器、有源器件和導線組成，當電路中有電壓存在的時候，在所有帶電的元器件周圍都會產生電場，當電路中有電流流過的時候，在所有載流體的周圍都存在磁場。

電容器是電場最集中的元件，流過電容器的電流是位移電流，這個位移電流是由于電容器的兩個極板帶電，并在兩個極板之間產生電場，通過電場感應，兩個極板會產生充放電，形成位移電流。實際上電容器回路中的電流并沒有真正流過電容器，而只是對電容器進行充放電。當電容器的兩個極板張開時，我們就可以把兩個極板看成是一組電場輻射天線，此時在兩個極板之間的電路都會對極板之間的電場產生感應。在兩極板之間的電路不管是閉合回路，或者是開路，在與電場方向一致的導體中都會產生位移電流(當電場的方向不斷改變時)，即電流一會兒向前跑，一會兒向后跑。

電場強度的定義是電位梯度，即兩點之間的電位差與距離之比。一根數米長的導線，當其流過數安培的電流時，其兩端電壓最多也只有零點幾伏，即幾十毫伏/米的電場強度，就可以在導體內產生數安培的電流，可見電場作用效力之大，其干擾能力之強。

電感器和變壓器是磁場最集中的元件，流過變壓器次級線圈的電流是感應電流，這個感應電流是因為變壓器初級線圈中有電流流過時，產生磁感應而產生的。在電感器和變壓器周邊的電路，都可看成是一個“變壓器”的感應線圈，當電感器和變壓器漏感產生的磁力線穿過某個電路時，此電路作為“變壓器”的“次級線圈”就會產生感應電流。兩個相鄰回路的電路，也同樣可以把其中的一個回路看成是“變壓器”的“初級線圈”，而另一個回路可以看成是“變壓器”的“次級線圈”，因此兩個相鄰回路同樣產生電磁感應，即互相產生干擾。

在電子線路中只要有電場或磁場存在，就會產生電磁干擾(Electromagnetic Interference)，兩者是相輔相成的，因為電場會產生位移電流，電流又會產生磁場。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，能發射電磁波并影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。