摘要： 介紹了電磁兼容設(shè)計(jì)的重要性，并從電磁兼容的基本原理出發(fā)，詳細(xì)論述了嵌入式系統(tǒng)中電磁兼容設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和實(shí)施策略。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)；電磁兼容；設(shè)計(jì)；耦合
Abstract： This paper introduces the essentiality of the electromagnetic compatibility design．And discusses the main contents ofthe electromagnetic compatibility design of the embedded system from its basic theory．
Keywords： embedded system；EMC；design；coupled
1引言
EMC(Electromagnetic Compatibility)——電磁兼容(性)是一門多學(xué)科交叉的邊緣性學(xué)科。電磁兼容技術(shù)已在很多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，在嵌入式應(yīng)用中也越來越受到重視。任何電子設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)向周圍發(fā)射電磁能量，可能會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。同時(shí)設(shè)備本身也可能受到周圍電磁環(huán)境的干擾，電磁兼容研究的主要問題就是如何使處于同一電磁環(huán)境中的各種設(shè)備或同一設(shè)備中的各組件都能正常工作而又互不干擾。
2嵌入式系統(tǒng)中電磁兼容性的特點(diǎn)
隨著IC技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。高性能單片機(jī)系統(tǒng)逐步采用32位字長的RISC體系結(jié)構(gòu)，運(yùn)行頻率超過了100 MHz，8位單片機(jī)也采用新工藝提高系統(tǒng)速度擴(kuò)展功能接口。嵌入式系統(tǒng)正朝著高集成度、高速度、高精度、低功耗的方向發(fā)展。同時(shí)，由于電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子設(shè)備密度升高，電磁環(huán)境惡化，系統(tǒng)的電磁干擾與抗干擾問題日益突出。
嵌入式系統(tǒng)中的電磁干擾主要通過2種方式傳播：
1)導(dǎo)線傳播即通過設(shè)備的信號(hào)線、控制線、電源線等直接侵入敏感設(shè)備，這種方式稱傳導(dǎo)干擾。
(2)空間傳播騷擾源周圍空間存在著電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)，會(huì)對(duì)附近電子線路產(chǎn)生干擾，稱為場(chǎng)干擾。
2．1傳導(dǎo)干擾
2．1．1傳輸線的分布參數(shù)特性
(1)傳輸線的電阻
任何導(dǎo)體都存在一定的電阻，在導(dǎo)線中流過直流或低頻電流時(shí)電荷在導(dǎo)線橫截面上是均勻分布的。當(dāng)導(dǎo)線中流過高頻電流時(shí)，由于高頻集膚效應(yīng)，導(dǎo)線中的電流主要集中在導(dǎo)體的表面，而導(dǎo)線中心幾乎沒有電流，因此導(dǎo)線的交流電阻將大于直流電阻，且交流電阻與頻率的二分之一次方成正比。導(dǎo)線的交流電阻可用改變截面積形狀的方法來減小。同樣截面積的矩形導(dǎo)線比圓形導(dǎo)線具有更大的表面，所以交流電阻比圓形導(dǎo)線小。接地導(dǎo)線常采用扁平矩形導(dǎo)線來代替圓導(dǎo)線，以減小高頻電阻。
(2)傳輸線的特性阻抗
傳輸線具有電阻、電感和電容，對(duì)于均勻一致的傳輸線，他們均勻地分布在傳輸線的各個(gè)部分，稱為分布參數(shù)，特性阻抗描述了傳輸線的分布參數(shù)特性，他定義為：
其中：s為平行雙線的間隔；r為導(dǎo)線半徑；μ為磁導(dǎo)率，ε為介電常數(shù)。式(1)適用條件為s＞5r。
由式(1)可知特性阻抗是表征傳輸線本身特性的一個(gè)物理量，與傳輸線內(nèi)的電流、電壓無關(guān)，只與傳輸線的結(jié)構(gòu)(線徑、線間距)和傳輸線周圍的介質(zhì)(ε，μ)有關(guān)。要注意特性阻抗描述的是傳輸線的分布參數(shù)特性而不是真正的阻抗。印制板上的走線和雙絞線的特性阻抗在100～200Ω，同軸電纜為50Ω或75Ω。
2．1．2傳輸線的短線處理方法
傳輸線的分布參數(shù)必然會(huì)影響傳輸線中的信號(hào)傳輸，這與傳輸線的長度密切相關(guān)。根據(jù)傳輸線長度與信號(hào)頻率的關(guān)系可把傳輸線分為長線和短線，當(dāng)傳輸線長度≤1/20的信號(hào)波長時(shí)或者傳輸延遲時(shí)間≤1/4的數(shù)字信號(hào)脈沖上升時(shí)間時(shí)，傳輸線可視為短線，即：
短線可以用集中參數(shù)等效電路來分析，即把傳輸線看成是由集中參數(shù)電阻、電感、電容組成的網(wǎng)絡(luò)，其值大小分別等于單位長度上的分布參數(shù)值乘以傳輸線長度。例如有一對(duì)傳輸線，終端短路，如符合短線條件式(2)，則可看成是一個(gè)電阻R和一個(gè)電感L串聯(lián)，總的阻抗為：Z＝R＋j2πfL。對(duì)于絕大多數(shù)雙絞線、同軸電纜、印制板電路，當(dāng)頻率很低小于3 kHz時(shí)，傳輸線路中電阻起主要作用。當(dāng)頻率大于3 kHz以后電感起主要作用，電阻可以忽略不計(jì)。
圖1是一個(gè)傳輸線的等效電路，設(shè)其符合式(2)，其中RS是信號(hào)源阻抗，Ri，Ci是負(fù)載的輸入阻抗，L，C是傳輸線的電感和電容，則有L＝L0l，C＝C0l，其中L0和C0為分布電感和分布電容，l為傳輸線長度。由于傳輸線路中存在電感和電容，數(shù)字信號(hào)通過傳輸線時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象，即衰減振蕩，振蕩頻率為：
振鈴波形的上沖與下沖會(huì)降低門電路的噪聲容限，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電路產(chǎn)生誤動(dòng)作，所以應(yīng)該設(shè)法克服由于傳輸線的分布參數(shù)引起的振鈴現(xiàn)象。
當(dāng)信號(hào)環(huán)路中的電阻、電感和電容符合R2≥4L/(C＋Ci)時(shí)振鈴現(xiàn)象可被抑制。其中R為傳輸線中的總電阻，可以通過在信號(hào)源端串接一個(gè)抑制電阻以滿足上式，等效于增加信號(hào)源的阻抗。此時(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的上升時(shí)間會(huì)略有增加，所以抑制電阻不能取值過大。
2．1．3傳輸線的長線處理方法
當(dāng)傳輸線的長度不符合式(2)時(shí)則稱為長線，長線不能用集中參數(shù)網(wǎng)絡(luò)來替代，而要用傳輸線理論來分析，考慮到阻抗匹配問題，即傳輸線兩端的負(fù)載阻抗和源阻抗都應(yīng)該和傳輸線特性阻抗Z0相等，否則會(huì)產(chǎn)生反射。
當(dāng)圖1中的傳輸線不符合式(2)時(shí)，他是一個(gè)長線系統(tǒng)。設(shè)ZS為源阻抗，Z0為傳輸線特性阻抗，ZL為負(fù)載阻抗，當(dāng)信號(hào)從信號(hào)源出發(fā)通過傳輸線到達(dá)負(fù)載阻抗ZL時(shí)，如果ZL＝Z0則沒有反射，信號(hào)能量全部被ZL吸收，這是匹配狀態(tài)，ZL上的電壓就是信號(hào)的入射電壓U0。如果ZL≠Z0，即負(fù)載端不匹配，則入射能量不能被負(fù)載全部吸收，有一部分就被反射回去，有反射電壓存在。
同樣，在源端如果ZS＝Z0則是匹配狀態(tài)，如果不相等則也存在反射。當(dāng)源端和負(fù)載端都不匹配時(shí)信號(hào)將在源端和負(fù)載端來回反復(fù)反射，反射波和原信號(hào)疊加，如果傳輸線傳輸?shù)氖敲}沖數(shù)字信號(hào)則多重反射將使脈沖邊沿產(chǎn)生臺(tái)階、上沖和下沖等問題。當(dāng)出現(xiàn)多重反射時(shí)負(fù)載端會(huì)出現(xiàn)與振鈴現(xiàn)象相似的波形，影響系統(tǒng)抗擾性能。
根據(jù)式(2)可以計(jì)算對(duì)應(yīng)于不同脈沖上升時(shí)間的最小的長線長度，傳輸線超過最小長線長度時(shí)就要考慮阻抗匹配的問題。具體應(yīng)用時(shí)可以在源端和負(fù)載端加入RCL網(wǎng)絡(luò)來匹配傳輸線的阻抗。
2．1．4共模騷擾和差模騷擾
騷擾信號(hào)在導(dǎo)線上傳輸時(shí)有2種方式：共模方式和差模方式。共模噪聲變成差模噪聲后才能對(duì)設(shè)備產(chǎn)生干擾，因?yàn)橛杏眯盘?hào)都是差模形式的。這種轉(zhuǎn)換是由電路中傳輸線對(duì)參考端的阻抗是否平衡來決定的。
圖2是一個(gè)信號(hào)傳輸系統(tǒng)的阻抗特性圖，圖中的4個(gè)電阻分別表示傳輸線在2個(gè)設(shè)備中的對(duì)地阻抗。2個(gè)設(shè)備相距較遠(yuǎn)其地線與機(jī)殼連入大地，如果2個(gè)設(shè)備的接地點(diǎn)之間存在噪聲信號(hào)，則由其產(chǎn)生的噪聲電流會(huì)沿著2條傳輸線流動(dòng)，假如設(shè)備中傳輸線對(duì)地的阻抗不相等的話，2條傳輸線中的噪聲電流也不相等，這時(shí)共模噪聲就變成差模噪聲干擾有用信號(hào)。
在計(jì)算機(jī)串行總線中，RS232使用非平衡方式，只有十幾米的傳輸距離。而RS422采用平衡傳輸方式，則達(dá)到了上千米的傳輸距離。在設(shè)計(jì)遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該仔細(xì)考慮信號(hào)線之間的阻抗平衡問題。
2．1．5共阻抗耦合
當(dāng)設(shè)備或元器件共用信號(hào)線或電源線時(shí)，他們之間就會(huì)通過公共阻抗產(chǎn)生相互干擾，如共用電源則稱共電源阻抗干擾，共用地線稱共地線阻抗干擾。
圖3中，電路1和電路2分別與電源各自形成一個(gè)電流回路，其中一個(gè)電路電流的增加必將使另一個(gè)電路的電流減少。電流的不斷變化，就會(huì)產(chǎn)生變化無常的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，引起電磁噪聲，并通過電源線、地線形成復(fù)雜的交叉干擾。
在高頻數(shù)字系統(tǒng)中，當(dāng)電路1工作時(shí)，會(huì)在回路公共阻抗上產(chǎn)生高頻數(shù)字噪聲，該噪聲在電路2的回路中使地線“飄動(dòng)”。不穩(wěn)定的地線將嚴(yán)重降低運(yùn)算放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等電路的性能。削弱電源系統(tǒng)共阻抗耦合的措施主要有以下2個(gè)：
(1)降低接入阻抗
電源線的布線要根據(jù)電流的大小，盡量加大導(dǎo)線的寬度，使電源線、地線的走向與信號(hào)傳輸方向一致，減少存在噪聲的單元和其他單元之間公共電源阻抗，有助于增強(qiáng)抗噪聲的能力。電路板要按功能分區(qū)，各分區(qū)電路地線相互并聯(lián)，一點(diǎn)接地。當(dāng)電路板上有多個(gè)電路單元時(shí)，應(yīng)使各單元有獨(dú)立的地線回路，各單元集中一點(diǎn)與公共地相連。這樣各自產(chǎn)生的噪聲電流不會(huì)流入其他單元，避免相互串?dāng)_。
(2)使用去耦電容
嵌入式系統(tǒng)印制板上一般都有多個(gè)集成電路，其中某些高速大功率器件，地線上會(huì)出現(xiàn)很大的噪聲電壓。抑制噪聲的方法是在各集成器件的電源線和地線間接入去耦電容，以縮短開關(guān)電流的流通途徑，降低電阻壓降。
2．2場(chǎng)干擾
電磁騷擾通過空間傳播實(shí)質(zhì)上是騷擾能量以場(chǎng)的形式向四周傳播。場(chǎng)分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)。近場(chǎng)又稱感應(yīng)場(chǎng)，如果場(chǎng)源是高電壓小電流的源則近場(chǎng)主要是電場(chǎng)，如果場(chǎng)源是低電壓大電流的源則近場(chǎng)主要是磁場(chǎng)。無論場(chǎng)源是什么性質(zhì)，當(dāng)離場(chǎng)源距離大于λ/2π以后的場(chǎng)都變成了遠(yuǎn)場(chǎng)，又稱輻射場(chǎng)。對(duì)于距離較遠(yuǎn)的系統(tǒng)間的電磁兼容問題，一般都用遠(yuǎn)場(chǎng)輻射來分析。對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)，特別是同一設(shè)備內(nèi)的問題基本上是近場(chǎng)耦合問題。
2．2．1遠(yuǎn)場(chǎng)輻射
騷擾源向周圍空間的輻射發(fā)射需要根據(jù)天線與電波傳播理論來計(jì)算，下面主要介紹微機(jī)系統(tǒng)中常見的幾種輻射方式。
(1)單點(diǎn)輻射
單點(diǎn)輻射主要指各向同性的較小的騷擾源。
2)平行雙線環(huán)路的輻射
設(shè)平行雙線環(huán)路中流有差模電流，并設(shè)線路長度l≤λ/4，其輻射應(yīng)為：
其中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度(V/m)；I為電流強(qiáng)度，(A)；S為環(huán)路面積(m2)，r為到發(fā)射源的距離(m)；λ為波長(m)。
如果印制板上有多條高頻率長軌線則可能產(chǎn)生嚴(yán)重的輻射。由式(3)可知減小信號(hào)環(huán)路的面積可以減小輻射，或者增加信號(hào)的最大波長，這可以通過延長信號(hào)的上升時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。同樣當(dāng)供電電源環(huán)路中有高頻電流流過時(shí)，電源環(huán)路也是很好的輻射源，所以應(yīng)該在高頻噪聲源處加去耦電容，給噪聲一條高頻旁路，以免流人電源環(huán)路，產(chǎn)生輻射。
(3)單導(dǎo)線輻射
當(dāng)平行雙線環(huán)路中環(huán)路面積足夠小時(shí)，其差模電流產(chǎn)生的輻射可以忽略，而共模電流產(chǎn)生的輻射將成為主要因素，稱為單導(dǎo)線輻射。
(4)感應(yīng)
周圍空間的騷擾電場(chǎng)和磁場(chǎng)都會(huì)在閉合環(huán)路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而對(duì)環(huán)路產(chǎn)生干擾。閉合環(huán)路產(chǎn)生的感應(yīng)電壓于環(huán)路面積成正比，環(huán)路面積越大感應(yīng)電壓越大，所以要避免外界噪聲場(chǎng)的干擾應(yīng)盡量減小環(huán)路面積。同時(shí)還可看到頻率越高產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也越大，即高頻噪聲容易對(duì)環(huán)路產(chǎn)生干擾。
2．2．2近場(chǎng)耦合
同一設(shè)備內(nèi)各部分電路之間距離較近的相互干擾常用近場(chǎng)耦合的方式處理。近場(chǎng)條件是離騷擾源的距離小于λ/2π。近場(chǎng)有電場(chǎng)和磁場(chǎng)，通常把騷擾源通過電場(chǎng)的耦合看成是電容耦合，通過磁場(chǎng)的耦合看成是互感耦合。對(duì)于近場(chǎng)耦合主要采取屏蔽的方法來減小耦合程度。
(1)電場(chǎng)屏蔽使用接地的金屬體包裹或隔離信號(hào)傳輸線，金屬體可以是很薄的金屬箔，但必須要有良好的接地。
(2)磁場(chǎng)屏蔽在磁場(chǎng)頻率比較低時(shí)(100 kHz以下)，通常采用鐵磁性材料如鐵、硅鋼片、坡莫合金等進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽。鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率很大，所以可把磁力線集中在其內(nèi)部通過。高頻磁場(chǎng)屏蔽材料采用金屬良導(dǎo)體，例如銅、鋁等。當(dāng)高頻磁場(chǎng)穿過金屬板時(shí)在金屬板上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于金屬板的電導(dǎo)率很高，所以產(chǎn)生很大的渦流，渦流又產(chǎn)生反磁場(chǎng)，與穿過金屬板的原磁場(chǎng)相互抵消，同時(shí)又增加了金屬板周圍的原磁場(chǎng)�？偟男Ч鞘勾帕�在金屬板四周繞行而過。
3結(jié)語
本文從基本的電磁兼容原理開始，討論了嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的電磁兼容性技術(shù)。根據(jù)多年在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)中的經(jīng)驗(yàn)，力求從實(shí)用的角度出發(fā)，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些相應(yīng)抗干擾措施。
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