[摘 要] EMI（Electromagnetic Interference，电磁干扰）控制设计是EMC（Electromagnetic Compatibility，电磁兼容）设计的重要内容，是保证微机应用系统稳定、可靠运行的重要措施。文中在分析微机应用系统骚扰的传递途径与形成方式的前提下，从硬件设计的角度提出了一系列有效的抗骚扰措施来抑制系统中出现的各种骚扰。并就具体案例进行EMI分析与解决。
[关键字] EMI 控制；硬件设计；微机应用系统
1. 引言
随着微处理器的设计日渐成熟，尤其是在性价比的大幅提高后，各种智能化的电子设备、仪器仪表甚至家用电器多数采用微机系统，此类仪器设备的EMC认证则是其产品化的关键，也是很多设计工程师最为棘手的问题。而EMC设计的核心在于对EMI控制的设计。
2. EMI测量简析
EMI（Electromagnetic Interference,电磁干扰）测量主要考察产品所产生的电磁干扰是否符合相应的规范。电磁干扰（electromagnetic interference）简称EMI，测量一般为两个参数即辐射干扰(Radiated interference) 和传导干扰(Conducted interference) ，所谓辐射干扰是指通过空间传播的干扰，所谓传导干扰是指通过电源端而产生的干扰。在EMI测试中，如果被测设备有一个或者几个频率点的电磁干扰超过了标准的限值，被测设备就不符合EMC标准要求。
在系统研制的不同阶段，EMI控制所运用的方法和程序是不同的。其中，方案、设计、开发（样机）、生产、测试（鉴定）和运行的各个阶段均可为实施EMI控制提供一定的机会。最初的方案设计阶段是提供最佳费效比的机会，而最终的运行阶段提供的机会最小。因此，在系统方案设计阶段，要充分考虑EMI控制设计[1]。
3. 微机应用系统EMI控制硬件设计
微机应用系统EMI控制主要包含两方面的内容：一是系统的硬件控制技术，二是系统的软件控制技术。而系统的硬件控制则尤为重要。典型的微机应用系统一般包括：微单片机、时钟控制模块、数据存储与交换控制、数据采集模块、传感模块、开关控制模块等。干扰可以沿各种数据或控制线侵入微机系统，也将以场的形式从空间侵入，当遇到对干扰敏感的接收电路模块时，就对系统产生干扰。因此，EMI控制要从消除干扰源、切断传播通道或降低接收电路对干扰敏感的程度这三方面来逐一防范。
3.1消除干扰源
3.1.1 合理选择元器件
元器件的选择对微机测控系统极为重要，其性能直接影响到整个系统的性能。
1）电源选择。开关电源由于在体积、重量、效率三方面具有传统线性电源与无可比拟的优点，但此类非线性电源所产生的谐波干扰也比较大，需要进一步滤波。开关电源的干扰频率比工频电源的频率50Hz～400Hz要高，而且频域宽。因此，要选用性能较好的低通滤波器来抑制电源的差模、共模干扰。
2）芯片选择。主要部件和集成电路如传感器、A/D转换器、晶振、多路开关等的选型主要考虑减少辐射骚扰或提高射频的抗干扰能力，在满足系统设计功能的需求下，尽量选用频率发射小的芯片，如翻转时间长、工作速率低的器件，多地线脚的芯片（芯片实质就是集成度较高的电路模块，封装时多装地线脚，可以减小高速差模电流环面积S，相应地减小芯片的发射），避免使用大功率、高损耗器件。[2]
3.1.2 抑制干扰源
抑制干扰源就是尽可能地减小干扰源的du/dt与di/dt，这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则。减小du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现，减小di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。
3.2切断干扰传播路径
图 1 干扰噪声的耦合传播途径
干扰源产生的干扰信号要通过一定的通道才能对微机测控系统发生电磁干扰，如图1所示，干扰窜入微机系统的主要途径有三类，第一是通过空间感应传播，各种高频干扰信号可以产生强大的电场、磁场以及电磁辐射，这些干扰噪声可以不经过接触而直接进人微机测控系统；第二是微机测控系统通过输人输出通道与被测控对象进行信号交换，由此引出、引入的干扰影响大且危害重；第三是供电电源本身的噪声与地电位的波动对微机测控系统产生的干扰。以上第二、三类都是通过导线耦合干扰的。[3]
3.2.1 过程通道干扰的抑制
1）采用隔离技术。微机有多个输入端口，接收来自远场设备的传感信号，无论是数字量还是模拟量，往往现场的干扰也随着进入微机系统。为了抑制这种情况的干扰，需要采取隔离措施实现彼此的隔离，常用隔离技术主要有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离和布线隔离。
(a)光电隔离：它由光电耦合器来实现。由于光电耦合器的输入阻抗很低，输入/输出间的电容很小，绝缘电阻很大，且以光为媒介进行间接耦合，因此具有很高的电气隔离和抗干扰能力。光电耦合技术主要是为了解决模拟电路和数字电路的集成、交叉应用时的相互干扰问题，同时具有信号整形、降低误操作等功能。
(b)继电器隔离：利用继电器的线圈与触点之间没有电气联系的特点，在信号通道里加入继电器可实现强弱电之间的抗干扰隔离。
(c)变压器隔离：脉冲变压器的初级和次级绕组分别缠绕在铁氧体磁心的两侧，分布电容仅几pF，可作为脉冲信号的隔离器件。
3.2.2 反射波干扰的抑制
有时微机系统的数据传输线虽然采用了必要的屏蔽技术与双绞线传输，信号还是会受到干扰，这主要是数据传输线较长时（>25cm）会产生反射波干扰。影响干扰的因素有如下两个：
1）信号频率。传输信号频率越高，越容易产生反射波干扰，因此在满足系统功能的前提下，尽量降低传输信号的频率。
2）传输线的阻抗。电压反射系数的定义：
式中，Z1为传输线的特性阻抗，Z2为负载阻抗。当Z1＝Z2时，电压发射系统为零，即此时不会发生反射；当Z1>Z2时，电压反射系数为负值，即反射电压为负，随着反射进行，电压迅速达到平衡状态，所以，降低负载电阻，有助于削弱反射波干扰。当Z1<Z2 时，电压反射系数为正值，这样，反射过程将是一个持续的振荡过程。所以，当负载电阻很大时对抑制反射波干扰十分不利。
3.2.3 地电位波动与直流电源干扰的抑制
1）地电位波动干扰的抑制。为了抑制地电位波动干扰，可以将数字地与模拟地分开，在低频电路中，屏蔽线采用一点接地；信号工作频率大于10M时，采用就近多点接地法。传感器、变送器和放大器等采用的屏蔽罩，应该遵循单点接地原则，接地线要尽量加粗。
2）直流电源干扰的抑制。在微机系统中，还需要对直流电源做好去耦处理。首先要在电源系统输出端采用小容量高频瓷片电容与电解电容并联去耦措施外，其次就是MCU与数字集成电路去耦和电源走线末端等。
3.3 PCB设计
优化PCB板设计，合理布线是提高微机应用系统电磁兼容性的最主要措施。印制板的抗干扰设计考虑因素主要是电磁能量的干扰、分布参量的串扰，以及设计不合理而引起的耦合，因此印制板的抗干扰设计应遵循以下原则：
1）布线。I/O排线的核心原则就是减小电流环面积S,关键电源线与其对应的地线相邻，所有的信号层特别是高速信号、时钟信号线与地线相邻，尽量避免两信号线相邻。
为了抑制印制电路板导线之间的串扰，在布线时应尽量避免长距离的平行走线，尽可能拉开线与线之间的距离，因为每条线上都存在着寄生电容和寄生电感，两平行线之间也存在着寄生电容和互感，于是两线之间就存在一定的电场耦合和磁场耦合。
2）使用小型化器件和加大地平面和电源层。所有元件的非地线四周尽可能由铜箔包围。这样一则隔离了各元件，减少了分布电容量；二则大面积铜箔地可视为良好的屏蔽层，消除一定的外界干扰，使电路工作较为稳定。在高频电路中，大面积接地尤其重要。
3）加粗地线。导线阻抗与它的宽度成反比，为了降低导线阻抗，应尽量加粗地线，如有可能，接地线应在2mm～3mm以上。
4）印制板上的中和电容在高频电路中常常需要中和电容加强电路的稳定性。因此，可在印制板上设计成两个靠近的弧形铜箔线代替中和电容。
5）芯片供电脚与地间除了接高频旁路电容，供电布线预留磁珠和贴片滤波器的位置，以备按需加减。
3.4提高敏感器件的抗干扰能力
提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下：
1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。
2）布线时电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。
3）对于微处理器闲置的I/0口，不要悬空，要接地或接电源。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。
4）对单片机使用电源监控及看门狗电路，如：IMP809、 IMP706、 IMP813、 X5043、X5045等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。
5）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。
6）IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。
5. EMI控制技术应用效果分析
EMI测量分别针对传导干扰和辐射干扰进行测量。例如，在广东省工业攻关计划项目——基于μCLinux的远程可视多媒体集控系统设计过程中，EMI测量时出现以下两个方面的问题：一是注入电源骚扰电压的传导干扰超标；二是电磁辐射骚扰场强超标。
5.1 传导干扰的处理
图2 骚扰电压波形实测图
图3 整改后骚扰电压波形实测图
传导干扰通过电源线传播，频率为30MHz以下，主要干扰音频频段。图2为系统正常工作时注入电源骚扰电压波形实测图，图中24MHz频点出现超差。
解决措施：1、以时钟信号频率的倍数出现的频点（如24MHz）超差一般都是由时钟信号耦合进入电源网络，引起注入电源骚扰电压的超差，处理晶体振荡器的电路。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳固定接于地。2、将操作面板上电源线及电源电路避开时钟信号的产生和传输电路，以大面积的地线环路包围晶体振荡器。3、信号线路必须与强电控制线路、电源线路分开走线，而且相互间要保持一定距离。图3为系统整改后的实测波形。
5.2 电磁辐射骚扰场强的设计
如图4所示，频谱图显示在140MHz频点处电磁辐射超差，个别频点虽未超差，但辐射较大，并且在其130～170MHZ附近出现隆起超出限值现象。
解决措施：1、中控CPU板对外引出有140MHz时钟线，时钟引线的信号线常常载有很大的瞬变电流，故更换晶振，注重晶振屏蔽，尽量减小晶振谐波辐射；2、出现频率段隆起多为地线问题，故在PCB上增加接地面积，并加强接插件与金属机壳的可靠连接；3、个别频点辐射较大，是因为屏蔽不好，故采取措施减小机壳接缝处的电磁泄漏。经整改后的频谱图如图5所示，波形已比较理想。
图4 电磁辐射骚扰场强实测图
图5 整改后电磁辐射骚扰场强实测图
6.结束语
EMI控制不仅需要理论指导，它更是一项实践工程，需要在工程设计中积极探索，针对不同情况采用适当的设计方法，多种方法并用，互为补充，才能取得较好的电磁兼容性和抗干扰效果。需要强调的是，EMI重在设计，为了提高产品开发的费效比，缩短开发周期，就一定要在从设计之初就将EMI控制纳入开发流程中。
本文作者创新点：针对微机应用系统的特点，指出系统设计过程中EMI控制设计要从消除干扰源、切断传播通道或降低接收电路对干扰敏感的程度这三方面来逐一防范。并以实验方式验证并解决了EMI设计中的典型问题，
[参考文献]
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