嵌入式系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計

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)備在運行時會向周圍發(fā)射電磁能量，可能會對其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。同時設(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
　　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(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、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(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，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(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)必然會影響傳輸線中的信號傳輸，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(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＋j2πf_L。對于絕大多數(shù)雙絞線、同軸電纜、印制板電路，當(dāng)頻率很低小于3 kHz時，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。
　　圖1是一個傳輸線的等效電路，設(shè)其符合式(2)，其中R_S是信號源阻抗，R_i，C_i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(yán)重時會使電路產(chǎn)生誤動作，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)信號環(huán)路中的電阻、電感和電容符合R²≥4L/(C＋C_i)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(yīng)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(dāng)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(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，否則會產(chǎn)生反射。
    當(dāng)圖1中的傳輸線不符合式(2)時，他是一個長線系統(tǒng)。設(shè)Z_S為源阻抗，Z₀為傳輸線特性阻抗，Z_L為負(fù)載阻抗，當(dāng)信號從信號源出發(fā)通過傳輸線到達(dá)負(fù)載阻抗Z_L時，如果Z_L＝Z₀則沒有反射，信號能量全部被Z_L吸收，這是匹配狀態(tài)，Z_L上的電壓就是信號的入射電壓U₀。如果Z_L≠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Z_S＝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)載端都不匹配時信號將在源端和負(fù)載端來回反復(fù)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(dāng)出現(xiàn)多重反射時負(fù)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(yīng)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(yīng)用時可以在源端和負(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
　　騷擾信號在導(dǎo)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(shè)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(shè)備中的對地阻抗。2個設(shè)備相距較遠(yuǎn)其地線與機殼連入大地，如果2個設(shè)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(shè)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(dá)到了上千米的傳輸距離。在設(shè)計遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)時應(yīng)該仔細(xì)考慮信號線之間的阻抗平衡問題。
   [!--empirenews.page--] 2．1．5　共阻抗耦合
　　當(dāng)設(shè)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(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，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(yán)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(dǎo)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(dāng)電路板上有多個電路單元時，應(yīng)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?dāng)_。
    (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(guān)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(yuǎn)場。近場又稱感應(yīng)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(dāng)離場源距離大于λ/2π以后的場都變成了遠(yuǎn)場，又稱輻射場。對于距離較遠(yuǎn)的系統(tǒng)間的電磁兼容問題，一般都用遠(yuǎn)場輻射來分析。對于系統(tǒng)內(nèi)，特別是同一設(shè)備內(nèi)的問題基本上是近場耦合問題。
    2．2．1　遠(yuǎn)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(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(yán)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(dāng)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(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，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和磁場都會在閉合環(huán)路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而對環(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的干擾應(yīng)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(yīng)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(shè)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(jìn)行磁場屏蔽。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。高頻磁場屏蔽材料采用金屬良導(dǎo)體，例如銅、鋁等。當(dāng)高頻磁場穿過金屬板時在金屬板上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，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，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?？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(yīng)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(shè)計中的一些相應(yīng)抗干擾措施。