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嵌入式系统电磁兼容技术分析

我爱方案网| 电磁兼容,嵌入式| 2012-03-16
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中心议题:
    *  嵌入式系统中电磁兼容性的特点
    *  传导干扰
    *  场干扰
解决方案:
    *  降低接入阻抗
    *  电场/ 磁场屏蔽   

1 引 言

EMC(Electromagnetic Compatibility)——电磁兼容(性)是一门多学科交叉的边缘性学科。电磁兼容技术已在很多领域中得到广泛的应用,在嵌入式应用中也越来越受到重视。任何电子设备在运行时会向周围发射电磁能量,可能会对其他设备产生干扰。同时设备本身也可能受到周围电磁环境的干扰,电磁兼容研究的主要问题就是如何使处于同一电磁环境中的各种设备或同一设备中的各组件都能正常工作而又互不干扰。

2 嵌入式系统中电磁兼容性的特点

随着IC技术的发展,新技术不断涌现。高性能单片机系统逐步采用32位字长的RISC体系结构,运行频率超过了100 MHz,8位单片机也采用新工艺提高系统速度扩展功能接口。嵌入式系统正朝着高集成度、高速度、高精度、低功耗的方向发展。同时,由于电子技术的广泛应用,电子设备密度升高,电磁环境恶化,系统的电磁干扰与抗干扰问题日益突出。

嵌入式系统中的电磁干扰主要通过2种方式传播: 

(1) 导线传播 即通过设备的信号线、控制线、电源线等直接侵入敏感设备,这种方式称传导干扰。
(2)空间传播 骚扰源周围空间存在着电场、磁场和电磁场,会对附近电子线路产生干扰,称为场干扰。

2.1 传导干扰


2.1.1 传输线的分布参数特性

(1) 传输线的电阻

任何导体都存在一定的电阻,在导线中流过直流或低频电流时电荷在导线横截面上是均匀分布的。当导线中流过高频电流时,由于高频集肤效应,导线中的电流主要集中在导体的表面,而导线中心几乎没有电流,因此导线的交流电阻将大于直流电阻,且交流电阻与频率的二分之一次方成正比。导线的交流电阻可用改变截面积形状的方法来减小。同样截面积的矩形导线比圆形导线具有更大的表面,所以交流电阻比圆形导线小。接地导线常采用扁平矩形导线来代替圆导线,以减小高频电阻。

(2)传输线的特性阻抗

传输线具有电阻、电感和电容,对于均匀一致的传输线,他们均匀地分布在传输线的各个部分,称为分布参数,特性阻抗描述了传输线的分布参数特性,他定义为:

其中:s为平行双线的间隔;r为导线半径;μ为磁导率,ε为介电常数。式(1)适用条件为s>5r。
由式(1)可知特性阻抗是表征传输线本身特性的一个物理量,与传输线内的电流、电压无关,只与传输线的结构(线径、线间距)和传输线周围的介质(ε,μ)有关。要注意特性阻抗描述的是传输线的分布参数特性而不是真正的阻抗。印制板上的走线和双绞线的特性阻抗在100~200Ω,同轴电缆为50Ω或75Ω。

2.1.2 传输线的短线处理方法

传输线的分布参数必然会影响传输线中的信号传输,这与传输线的长度密切相关。根据传输线长度与信号频率的关系可把传输线分为长线和短线,当传输线长度 ≤1/20的信号波长时或者传输延迟时间≤1/4的数字信号脉冲上升时间时,传输线可视为短线,即:

短线可以用集中参数等效电路来分析,即把传输线看成是由集中参数电阻、电感、电容组成的网络,其值大小分别等于单位长度上的分布参数值乘以传输线长度。例如有一对传输线,终端短路,如符合短线条件式(2),则可看成是一个电阻R和一个电感L串联,总的阻抗为:Z=R+j2πfL。对于绝大多数双绞线、同轴电缆、印制板电路,当频率很低小于3 kHz时,传输线路中电阻起主要作用。当频率大于3 kHz以后电感起主要作用,电阻可以忽略不计。

图1是一个传输线的等效电路,设其符合式(2),其中RS是信号源阻抗,Ri,Ci是负载的输入阻抗,L,C是传输线的电感和电容,则有L=L0l,C=C0l,其中L0和C0为分布电感和分布电容,l为传输线长度。由于传输线路中存在电感和电容,数字信号通过传输线时可能会产生振铃现象,即衰减振荡,振荡频率为:

振铃波形的上冲与下冲会降低门电路的噪声容限,严重时会使电路产生误动作,所以应该设法克服由于传输线的分布参数引起的振铃现象。

当信号环路中的电阻、电感和电容符合R2≥4L/(C+Ci)时振铃现象可被抑制。其中R为传输线中的总电阻,可以通过在信号源端串接一个抑制电阻以满足上式,等效于增加信号源的阻抗。此时系统阶跃响应的上升时间会略有增加,所以抑制电阻不能取值过大。
 

2.1.3 传输线的长线处理方法

当传输线的长度不符合式(2)时则称为长线,长线不能用集中参数网络来替代,而要用传输线理论来分析,考虑到阻抗匹配问题,即传输线两端的负载阻抗和源阻抗都应该和传输线特性阻抗Z0相等,否则会产生反射。
当图1中的传输线不符合式(2)时,他是一个长线系统。设ZS为源阻抗,Z0为传输线特性阻抗,ZL为负载阻抗,当信号从信号源出发通过传输线到达负载阻抗ZL时,如果ZL=Z0则没有反射,信号能量全部被ZL吸收,这是匹配状态,ZL上的电压就是信号的入射电压U0。如果ZL≠Z0,即负载端不匹配,则入射能量不能被负载全部吸收,有一部分就被反射回去,有反射电压存在。

同样,在源端如果ZS=Z0则是匹配状态,如果不相等则也存在反射。当源端和负载端都不匹配时信号将在源端和负载端来回反复反射,反射波和原信号叠加,如果传输线传输的是脉冲数字信号则多重反射将使脉冲边沿产生台阶、上冲和下冲等问题。当出现多重反射时负载端会出现与振铃现象相似的波形,影响系统抗扰性能。

根据式(2)可以计算对应于不同脉冲上升时间的最小的长线长度,传输线超过最小长线长度时就要考虑阻抗匹配的问题。具体应用时可以在源端和负载端加入RCL 网络来匹配传输线的阻抗。

2.1.4 共模骚扰和差模骚扰

骚扰信号在导线上传输时有2种方式:共模方式和差模方式。共模噪声变成差模噪声后才能对设备产生干扰,因为有用信号都是差模形式的。这种转换是由电路中传输线对参考端的阻抗是否平衡来决定的。

图2是一个信号传输系统的阻抗特性图,图中的4个电阻分别表示传输线在2个设备中的对地阻抗。2个设备相距较远其地线与机壳连入大地,如果2个设备的接地点之间存在噪声信号,则由其产生的噪声电流会沿着2条传输线流动,假如设备中传输线对地的阻抗不相等的话,2条传输线中的噪声电流也不相等,这时共模噪声就变成差模噪声干扰有用信号。

在计算机串行总线中,RS232使用非平衡方式,只有十几米的传输距离。而RS422采用平衡传输方式,则达到了上千米的传输距离。在设计远距离传输系统时应该仔细考虑信号线之间的阻抗平衡问题。

2.1.5 共阻抗耦合

当设备或元器件共用信号线或电源线时,他们之间就会通过公共阻抗产生相互干扰,如共用电源则称共电源阻抗干扰,共用地线称共地线阻抗干扰。

图3中,电路1和电路2分别与电源各自形成一个电流回路,其中一个电路电流的增加必将使另一个电路的电流减少。电流的不断变化,就会产生变化无常的电场和磁场,引起电磁噪声,并通过电源线、地线形成复杂的交叉干扰。

在高频数字系统中,当电路 1工作时,会在回路公共阻抗上产生高频数字噪声,该噪声在电路2的回路中使地线“飘动”。不稳定的地线将严重降低运算放大器、模/数转换器等电路的性能。削弱电源系统共阻抗耦合的措施主要有以下2个:

(1)降低接入阻抗

电源线的布线要根据电流的大小,尽量加大导线的宽度,使电源线、地线的走向与信号传输方向一致,减少存在噪声的单元和其他单元之间公共电源阻抗,有助于增强抗噪声的能力。电路板要按功能分区,各分区电路地线相互并联,一点接地。当电路板上有多个电路单元时,应使各单元有独立的地线回路,各单元集中一点与公共地相连。这样各自产生的噪声电流不会流入其他单元,避免相互串扰。

(2)使用去耦电容

嵌入式系统印制板上一般都有多个集成电路,其中某些高速大功率器件,地线上会出现很大的噪声电压。抑制噪声的方法是在各集成器件的电源线和地线间接入去耦电容,以缩短开关电流的流通途径,降低电阻压降。
 

2.2 场干扰

电磁骚扰通过空间传播实质上是骚扰能量以场的形式向四周传播。场分为近场和远场。近场又称感应场,如果场源是高电压小电流的源则近场主要是电场,如果场源是低电压大电流的源则近场主要是磁场。无论场源是什么性质,当离场源距离大于λ/2π以后的场都变成了远场,又称辐射场。对于距离较远的系统间的电磁兼容问题,一般都用远场辐射来分析。对于系统内,特别是同一设备内的问题基本上是近场耦合问题。

2.2.1 远场辐射

骚扰源向周围空间的辐射发射需要根据天线与电波传播理论来计算,下面主要介绍微机系统中常见的几种辐射方式。

(1)单点辐射
单点辐射主要指各向同性的较小的骚扰源。
(2)平行双线环路的辐射
设平行双线环路中流有差模电流,并设线路长度l≤λ/4,其辐射应为:

其中:E为电场强度 (V/m);I为电流强度,(A);S为环路面积(m2),r为到发射源的距离(m);λ为波长(m)。
如果印制板上有多条高频率长轨线则可能产生严重的辐射。由式(3)可知减小信号环路的面积可以减小辐射,或者增加信号的最大波长,这可以通过延长信号的上升时间来实现。同样当供电电源环路中有高频电流流过时,电源环路也是很好的辐射源,所以应该在高频噪声源处加去耦电容,给噪声一条高频旁路,以免流人电源环路,产生辐射。

(3) 单导线辐射

当平行双线环路中环路面积足够小时,其差模电流产生的辐射可以忽略,而共模电流产生的辐射将成为主要因素,称为单导线辐射。

(4) 感应

周围空间的骚扰电场和磁场都会在闭合环路中产生感应电压,从而对环路产生干扰。闭合环路产生的感应电压于环路面积成正比,环路面积越大感应电压越大,所以要避免外界噪声场的干扰应尽量减小环路面积。同时还可看到频率越高产生的感应电压也越大,即高频噪声容易对环路产生干扰。

2.2.2  近场耦合

同一设备内各部分电路之间距离较近的相互干扰常用近场耦合的方式处理。近场条件是离骚扰源的距离小于λ/2π。近场有电场和磁场,通常把骚扰源通过电场的耦合看成是电容耦合,通过磁场的耦合看成是互感耦合。对于近场耦合主要采取屏蔽的方法来减小耦合程度。

(1) 电场屏蔽 使用接地的金属体包裹或隔离信号传输线,金属体可以是很薄的金属箔,但必须要有良好的接地。
(2)磁场屏蔽 在磁场频率比较低时(100 kHz以下),通常采用铁磁性材料如铁、硅钢片、坡莫合金等进行磁场屏蔽。铁磁性物质的磁导率很大,所以可把磁力线集中在其内部通过。高频磁场屏蔽材料采用金属良导体,例如铜、铝等。当高频磁场穿过金属板时在金属板上产生感应电动势,由于金属板的电导率很高,所以产生很大的涡流,涡流又产生反磁场,与穿过金属板的原磁场相互抵消,同时又增加了金属板周围的原磁场。总的效果是使磁力线在金属板四周绕行而过。

3 结语

本文从基本的电磁兼容原理开始,讨论了嵌入式计算机系统中的电磁兼容性技术。根据多年在嵌入式系统应用开发中的经验,力求从实用的角度出发,给出了系统设计中的一些相应抗干扰措施。

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