1 引 言
EMC(Electromagnetic Compatibility)——電磁兼容(性)是一門多學科交叉的邊緣性學科。電磁兼容技術(shù)已在很多領域中得到廣泛的應用,在嵌入式應用中也越來越受到重視。任何電子設備在運行時會向周圍發(fā)射電磁能量,可能會對其他設備產(chǎn)生干擾。同時設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)境中的各種設備或同一設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
隨著IC技術(shù)的發(fā)展,新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。高性能單片機系統(tǒng)逐步采用32位字長的RISC體系結(jié)構(gòu),運行頻率超過了100 MHz,8位單片機也采用新工藝提高系統(tǒng)速度擴展功能接口。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,由于電子技術(shù)的廣泛應用,電子設備密度升高,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)導線傳播 即通過設備的信號線、控制線、電源線等直接侵入敏感設備,這種方式稱傳導干擾。
(2)空間傳播 騷擾源周圍空間存在著電場、磁場和電磁場,會對附近電子線路產(chǎn)生干擾,稱為場干擾。
2.1 傳導干擾
2.1.1 傳輸線的分布參數(shù)特性
(1)傳輸線的電阻
任何導體都存在一定的電阻,在導線中流過直流或低頻電流時電荷在導線橫截面上是均勻分布的。當導線中流過高頻電流時,由于高頻集膚效應,導線中的電流主要集中在導體的表面,而導線中心幾乎沒有電流,因此導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線比圓形導線具有更大的表面,所以交流電阻比圓形導線小。接地導線常采用扁平矩形導線來代替圓導線,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,對于均勻一致的傳輸線,他們均勻地分布在傳輸線的各個部分,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為導線半徑;μ為磁導率,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物理量,與傳輸線內(nèi)的電流、電壓無關,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。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)必然會影響傳輸線中的信號傳輸,這與傳輸線的長度密切相關。根據(jù)傳輸線長度與信號頻率的關系可把傳輸線分為長線和短線,當傳輸線長度≤1/20的信號波長時或者傳輸延遲時間≤1/4的數(shù)字信號脈沖上升時間時,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,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。例如有一對傳輸線,終端短路,如符合短線條件式(2),則可看成是一個電阻R和一個電感L串聯(lián),總的阻抗為:Z=R+j2πfL。對于絕大多數(shù)雙絞線、同軸電纜、印制板電路,當頻率很低小于3 kHz時,傳輸線路中電阻起主要作用。當頻率大于3 kHz以后電感起主要作用,電阻可以忽略不計。
圖1是一個傳輸線的等效電路,設其符合式(2),其中RS是信號源阻抗,Ri,Ci是負載的輸入阻抗,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)字信號通過傳輸線時可能會產(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降低門電路的噪聲容限,嚴重時會使電路產(chǎn)生誤動作,所以應該設法克服由于傳輸線的分布參數(shù)引起的振鈴現(xiàn)象。
當信號環(huán)路中的電阻、電感和電容符合R2≥4L/(C+Ci)時振鈴現(xiàn)象可被抑制。其中R為傳輸線中的總電阻,可以通過在信號源端串接一個抑制電阻以滿足上式,等效于增加信號源的阻抗。此時系統(tǒng)階躍響應的上升時間會略有增加,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
當傳輸線的長度不符合式(2)時則稱為長線,長線不能用集中參數(shù)網(wǎng)絡來替代,而要用傳輸線理論來分析,考慮到阻抗匹配問題,即傳輸線兩端的負載阻抗和源阻抗都應該和傳輸線特性阻抗Z0相等,否則會產(chǎn)生反射。
當圖1中的傳輸線不符合式(2)時,他是一個長線系統(tǒng)。設ZS為源阻抗,Z0為傳輸線特性阻抗,ZL為負載阻抗,當信號從信號源出發(fā)通過傳輸線到達負載阻抗ZL時,如果ZL=Z0則沒有反射,信號能量全部被ZL吸收,這是匹配狀態(tài),ZL上的電壓就是信號的入射電壓U0。如果ZL≠Z0,即負載端不匹配,則入射能量不能被負載全部吸收,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。當源端和負載端都不匹配時信號將在源端和負載端來回反復反射,反射波和原信號疊加,如果傳輸線傳輸?shù)氖敲}沖數(shù)字信號則多重反射將使脈沖邊沿產(chǎn)生臺階、上沖和下沖等問題。當出現(xiàn)多重反射時負載端會出現(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)可以計算對應于不同脈沖上升時間的最小的長線長度,傳輸線超過最小長線長度時就要考慮阻抗匹配的問題。具體應用時可以在源端和負載端加入RCL網(wǎng)絡來匹配傳輸線的阻抗。
2.1.4 共模騷擾和差模騷擾
騷擾信號在導線上傳輸時有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設備產(chǎn)生干擾,因為有用信號都是差模形式的。這種轉(zhuǎn)換是由電路中傳輸線對參考端的阻抗是否平衡來決定的。
圖2是一個信號傳輸系統(tǒng)的阻抗特性圖,圖中的4個電阻分別表示傳輸線在2個設備中的對地阻抗。2個設備相距較遠其地線與機殼連入大地,如果2個設備的接地點之間存在噪聲信號,則由其產(chǎn)生的噪聲電流會沿著2條傳輸線流動,假如設備中傳輸線對地的阻抗不相等的話,2條傳輸線中的噪聲電流也不相等,這時共模噪聲就變成差模噪聲干擾有用信號。
在計算機串行總線中,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,則達到了上千米的傳輸距離。在設計遠距離傳輸系統(tǒng)時應該仔細考慮信號線之間的阻抗平衡問題。
2.1.5 共阻抗耦合
當設備或元器件共用信號線或電源線時,他們之間就會通過公共阻抗產(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電流回路,其中一個電路電流的增加必將使另一個電路的電流減少。電流的不斷變化,就會產(chǎn)生變化無常的電場和磁場,引起電磁噪聲,并通過電源線、地線形成復雜的交叉干擾。
在高頻數(shù)字系統(tǒng)中,當電路1工作時,會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”。不穩(wěn)定的地線將嚴重降低運算放大器、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:
(1)降低接入阻抗
電源線的布線要根據(jù)電流的大小,盡量加大導線的寬度,使電源線、地線的走向與信號傳輸方向一致,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),一點接地。當電路板上有多個電路單元時,應使各單元有獨立的地線回路,各單元集中一點與公共地相連。這樣各自產(chǎn)生的噪聲電流不會流入其他單元,避免相互串擾。
(2)使用去耦電容
嵌入式系統(tǒng)印制板上一般都有多個集成電路,其中某些高速大功率器件,地線上會出現(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,以縮短開關電流的流通途徑,降低電阻壓降。
2.2 場干擾
電磁騷擾通過空間傳播實質(zhì)上是騷擾能量以場的形式向四周傳播。場分為近場和遠場。近場又稱感應場,如果場源是高電壓小電流的源則近場主要是電場,如果場源是低電壓大電流的源則近場主要是磁場。無論場源是什么性質(zhì),當離場源距離大于λ/2π以后的場都變成了遠場,又稱輻射場。對于距離較遠的系統(tǒng)間的電磁兼容問題,一般都用遠場輻射來分析。對于系統(tǒng)內(nèi),特別是同一設備內(nèi)的問題基本上是近場耦合問題。
2.2.1 遠場輻射
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算,下面主要介紹微機系統(tǒng)中常見的幾種輻射方式。
(1)單點輻射
單點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
設平行雙線環(huán)路中流有差模電流,并設線路長度l≤λ/4,其輻射應為:
其中:E為電場強度(V/m);I為電流強度,(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)生嚴重的輻射。由式(3)可知減小信號環(huán)路的面積可以減小輻射,或者增加信號的最大波長,這可以通過延長信號的上升時間來實現(xiàn)。同樣當供電電源環(huán)路中有高頻電流流過時,電源環(huán)路也是很好的輻射源,所以應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)單導線輻射
當平行雙線環(huán)路中環(huán)路面積足夠小時,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,稱為單導線輻射。
(4)感應
周圍空間的騷擾電場和磁場都會在閉合環(huán)路中產(chǎn)生感應電壓,從而對環(huán)路產(chǎn)生干擾。閉合環(huán)路產(chǎn)生的感應電壓于環(huán)路面積成正比,環(huán)路面積越大感應電壓越大,所以要避免外界噪聲場的干擾應盡量減小環(huán)路面積。同時還可看到頻率越高產(chǎn)生的感應電壓也越大,即高頻噪聲容易對環(huán)路產(chǎn)生干擾。
2.2.2 近場耦合
同一設備內(nèi)各部分電路之間距離較近的相互干擾常用近場耦合的方式處理。近場條件是離騷擾源的距離小于λ/2π。近場有電場和磁場,通常把騷擾源通過電場的耦合看成是電容耦合,通過磁場的耦合看成是互感耦合。對于近場耦合主要采取屏蔽的方法來減小耦合程度。
(1)電場屏蔽 使用接地的金屬體包裹或隔離信號傳輸線,金屬體可以是很薄的金屬箔,但必須要有良好的接地。
(2)磁場屏蔽 在磁場頻率比較低時(100 kHz以下),通常采用鐵磁性材料如鐵、硅鋼片、坡莫合金等進行磁場屏蔽。鐵磁性物質(zhì)的磁導率很大,所以可把磁力線集中在其內(nèi)部通過。高頻磁場屏蔽材料采用金屬良導體,例如銅、鋁等。當高頻磁場穿過金屬板時在金屬板上產(chǎn)生感應電動勢,由于金屬板的電導率很高,所以產(chǎn)生很大的渦流,渦流又產(chǎn)生反磁場,與穿過金屬板的原磁場相互抵消,同時又增加了金屬板周圍的原磁場。總的效果是使磁力線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,討論了嵌入式計算機系統(tǒng)中的電磁兼容性技術(shù)。根據(jù)多年在嵌入式系統(tǒng)應用開發(fā)中的經(jīng)驗,力求從實用的角度出發(fā),給出了系統(tǒng)設計中的一些相應抗干擾措施。