电子设备设计中电磁干扰优化

随着现代电子信息技术的飞速发展，电子设备在各行各业中得到广泛应用。然而，随着电子设备密度的增加和工作频率的提高，电磁干扰问题日益凸显。电磁干扰(EMI)对电子设备的正常运行和性能稳定性产生负面影响，因此，对电磁干扰进行深入分析并提出解决方案显得尤为重要。本文将探讨电子信息工程中电路设计中的电磁干扰问题，并针对其产生的原因和解决方案进行详尽阐述。

电磁干扰是指电磁场中的能量以非预期的方式影响了电子设备的性能。它可以由内部和外部因素产生。内部因素主要包括电路中的信号互相干扰和互调产生的干扰;外部因素则包括其他设备或环境中的电磁辐射对目标设备的影响。根据干扰的频率范围，电磁干扰可分为导线传导干扰和辐射干扰两大类。

导线传导干扰是指电磁能量通过导线或电缆传递到其他电路中，造成设备之间的干扰。这种干扰主要源自电路中的功率线或信号线上的电流快速变化，导致电磁场的辐射。而辐射干扰则是指电磁波在空间中传播，通过电磁波的辐射作用影响其他电子设备。

电磁干扰，英文名称为Electro Magnetic Interference，简称EMI，是指任何在传导或者在有电磁场伴随着电压、电流的作用下而产生会降低某个装置、设备或系统的性能，还有可能对生物或者物质产生不良影响的电磁现象。

随着板级与封装级电子系统向低电压、高功耗、高密度以及高速度的发展趋势，信号完整性、电源完整性和电磁兼容性已成为高速电路设计与系统级封装中的研究热点。一方面，电源需给状态切换时的芯片提供大量瞬时电流，会在供电网络上产生相应的电压波动，电压波动在电源分配网络上传播形成噪声或电磁干扰信号。另一方面，电磁干扰将通过电源分配网络耦合到相关的信号线上，从而引起眼图闭合、信号畸变等信号完整性问题。因此，高速电路中的信号完整性、电源完整性及其相互作用问题已经成为目前板级设计和封装级设计中热点与瓶颈。随着系统速率的提高，信号完整性与电源完整性之间的互相影响和制约关系表现得更加突出，有必要对其综合研究，在实际应用中协同考虑以提高系统性能。

二.电磁干扰产生分类

电磁干扰的产生可以分为：

1.内部干扰，内部电子元件之间的相互干扰：工作电源通过线路的分布电源和绝缘电阻产生漏电造成的干扰;信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合，或导线之间的互感造成的影响;设备或系统内部某些元件发热，影响元件本身及其他元件的稳定性造成的干扰;大功率和高电压部件产生的磁场、电场通过耦合影响其他部件造成干扰。

2.外部干扰，电子设备或系统以外的因素对线路、设备或系统的影响：外部高电压、电源通过绝缘漏电而干扰电子线路、设备或系统;外部大功率的设备在空间产生很强的磁场，通过互感耦合干扰电子线路、设备或系统;空间电磁对电子线路或系统产生的干扰;工作环境温度不稳定，引起电子线路、设备或系统内部元器件参数改变造成的干扰。

不管复杂系统还是简单系统，任何一个电磁干扰的发生都必须具备3个基本条件：具有干扰源;有传播干扰能量的途径(或通道);有被干扰对象(敏感设备)。

电磁干扰源有多种分类方法，一般说来电磁干扰源分为自然干扰源与人为干扰源，自然干扰源指由于大自然现象所造成的各种干扰源，例如大气噪声源、宇宙噪声源和热噪声源等。人为干扰源是由机电或其他人工装置产生电磁能量干扰，其中一部分是专门用来发射电磁能量的装置，如广播、电视、通信、雷达和导航等无线电设备，称为有意发射干扰源。另一部分是在完成自身功能的同时附带产生电磁能量的发射，如交通车辆、架空输电线、照明器具、电动机械、家用电器以及工业、医用射频设备等等。因此这部分又称为无意发射干扰源;从电磁干扰属性来分，可以分为功能型干扰源和非功能性干扰源，功能性干扰源系指设备实现功能过程中造成对其他设备的直接干扰。非功能性干扰源是指用电装置在实现自身功能的同时伴随产生或附加产生的副作用，如开关闭合或切断产生的电弧放电干扰。

电磁干扰的传输是通过耦合方式进行的。所谓耦合指的是设备/电路与设备/电路之间的电磁联系。耦合可以将电磁能量从一个设备/电路传到另一个设备/电路。电磁耦合路径包括传导耦合和辐射耦合。传导耦合，包括通过线路的电路性耦合，以及导体间电容和互感而形成的耦合，可以建立电路模型进行分析。传导耦合必须在干扰源和敏感设备之间有完整的电路连接，干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感设备，产生干扰现象。传导耦合按其原理可分为三种基本的耦合形式：电阻性耦合、电感性耦合和电容性耦合，在实际情况中，它们往往是同时存在、互相联系的;辐射耦合，由辐射源向自由空间传播电磁波，感应电路的两根导线就像天线一样，接受电磁波，形成干扰耦合。干扰源距离敏感设备比较近的时候，如果辐射源有低电压大电流，则磁场起主要作用。如果干扰源有高电压小电流，则电场起主要作用。对于辐射形成的干扰，主要采用屏蔽技术来抑制。在实际工程中，两个设备之间发生干扰通常包含着许多种途径的耦合。正因为多种途径的耦合同时存在，反复交叉耦合，共同产生干扰，才使电磁干扰变得难以控制。

敏感设备是对干扰对象总称，它可以是一个很小的元件或一个电路板组件，也可以是一个单独的用电设备甚至可以是一个大型系统。

所有的电子电路都可能受到电磁干扰。但是不同的功能模块可能受电磁干扰的影响程度或抗干扰能力不一样。例如在数字电路中，复位、中断、控制信号等临界信号最易受到电磁干扰的影响，控制电路、模拟电路和电源调整电路同样容易受到电磁干扰的影响，在电磁兼容(Electro Magnetic Compatibility，EMC)的设计中需要特别注意。

- 电压和电流波形都有很丰富的频率成分

- 超过200M时由于幅值已经很低，所以影响很小

- 波形影响低频部分

- 上升沿和下降沿影响高频部分

- 占空比对个频谱幅值有一点影响

可以看到电磁干扰的过程并不简单，但也并非复杂难解。只有在充分理解EMI的原力之后才能对EMI进行行之有效的规避和抑制，希望大家在阅读过本文后能对EMI有进一步的了解。