电场干扰与磁场干扰，抑制方式大有不同

做EMC整改的时候很多人把所有干扰都当作一回事来处理——加屏蔽罩、加磁珠、加滤波电容一股脑全上。有时候碰巧解决了有时候越改越差。原因很简单电场干扰和磁场干扰的耦合机制不同抑制方式也完全不一样。用对付电场的方法去处理磁场问题就像用雨伞挡风——方向搞反了。搞清楚你面对的是哪种干扰才能对症下药。一、电场干扰与磁场干扰的本质区别1、电场干扰电压驱动的容性耦合电场干扰的核心是容性耦合。两根导线之间存在寄生电容当其中一根导线上有电压变化时就会通过寄生电容把位移电流耦合到另一根导线上。耦合的强度取决于两个因素寄生电容的大小和干扰源的电压变化率dv/dt。电压变化越快、寄生电容越大耦合的干扰就越强。电场干扰有几个典型特征干扰幅度和源电压成正比和源电流无关被干扰线路的阻抗越高感应到的电压越大在近场区域电场强度随距离的立方衰减。这意味着只要拉开距离或者降低被干扰线路的阻抗电场干扰就会显著减小。2、磁场干扰电流驱动的感性耦合磁场干扰的核心是感性耦合。电流流过导线时会产生磁场当这个磁场穿过另一个回路时根据法拉第电磁感应定律就会在被干扰回路中感应出电动势。耦合的强度取决于两个因素互感的大小和干扰源的电流变化率di/dt。电流变化越快、互感越大耦合的干扰越强。磁场干扰的特征和电场刚好相反干扰幅度和源电流成正比和源电压无关被干扰回路的面积越大感应到的电动势越大在近场区域磁场强度随距离的平方衰减。也就是说磁场干扰比电场干扰传播得更远对距离的敏感度更低。降低被干扰回路的面积是抑制磁场耦合最直接的手段。二、电场干扰的抑制方法1、屏蔽——接地的导体是电场的克星电场屏蔽的原理很直观在干扰源和被干扰对象之间放一个接地的导体电场线就会终止在导体表面电荷通过地线流走被干扰对象感受不到电场变化。需要注意电场屏蔽的关键不是屏蔽体的厚度而是导体的完整性和接地质量。一个0.1mm的铜箔只要完整覆盖且接地良好对电场的屏蔽效果和一个1mm的铜板几乎一样。但接地是有讲究的。屏蔽体必须在干扰频率下呈现低阻抗接地。如果接地线太长或太细在高频下接地阻抗就会上升屏蔽体上积累的电荷泄放不掉屏蔽效果就大打折扣。很多屏蔽罩不起作用的原因不是罩子本身有问题而是接地没做好。2、增大距离——电场随距离快速衰减既然电场在近场随距离的立方衰减拉开距离就是成本最低的抑制手段。PCB布局的时候把敏感信号和高dv/dt信号比如开关电源的开关节点拉开距离比加任何屏蔽都有效。很多辐射超标的问题就是关键信号走得太近了拉开5mm就能解决。3、降低被干扰端的阻抗电场耦合在被干扰端产生的是电流源被干扰端阻抗越高感应电压越大。反过来降低被干扰端的阻抗就能减小感应电压。这也是为什么模拟信号更容易受电场干扰——运放输入端通常阻抗很高一点点容性耦合就能感应出可观的电压。在敏感节点加一个到地的电容把阻抗降下来电场干扰就小了。三、磁场干扰的抑制方法1、减小回路面积——最根本的手段磁场感应的电动势等于磁通量变化率乘以回路面积减小回路面积就能直接降低感应电动势。这个原则在PCB设计中应用极广信号线和回流路径要尽量靠近形成最小的回路面积电源线的去耦电容要紧贴IC引脚缩短高频电流的回路关键信号走线要紧邻地平面让回流路径就在正下方。很多人觉得地平面只是为了提供零电位参考其实它更重要的作用是为信号提供紧邻的回流路径把回路面积压到最小。2、高磁导率屏蔽——引导磁力线绕行和电场屏蔽不同磁场屏蔽不是靠反射而是靠引导。高磁导率材料如坡莫合金、硅钢片、纳米晶为磁力线提供了一条低磁阻通路磁力线优先从屏蔽材料内部通过绕开了被保护的区域。这就是为什么磁屏蔽体需要一定的厚度——厚度不够磁路饱和了磁力线还是会穿过去。一个常见的错误是用铜皮去屏蔽低频磁场。铜是良导体对电场屏蔽效果极好但对低频磁场几乎无效——铜的磁导率和空气差不多磁力线直接穿过去根本不会被引导。低频磁屏蔽必须用高磁导率材料铜皮再厚也没用。3、扭绞——让干扰相互抵消双绞线是抑制磁场耦合的经典手段。两根线扭绞在一起每个扭绞节距内相邻两段导线在磁场中感应出的电动势方向相反相互抵消。扭绞节距越密抵消效果越好。这个方法在通信电缆和传感器信号线中用得非常多成本低廉且效果显著。但要注意扭绞只对磁场干扰有效对电场干扰几乎没有作用——电场耦合和回路面积无关只和寄生电容有关。四、实战中如何判断干扰类型1、看干扰源特征如果干扰源是高电压小电流比如开关电源的开关节点、CRT的高压电路以电场干扰为主。如果干扰源是大电流低电压比如电机驱动线、电源母线、继电器线圈以磁场干扰为主。很多场合两种干扰同时存在但通常有一个是主导。2、用近场探头定位近场探头是判断干扰类型最直接的工具。电场探头检测的是电压变化对高阻抗节点敏感磁场探头检测的是电流变化对大电流走线敏感。用两种探头分别扫一遍哪个探头的读数大干扰类型就清楚了。没有近场探头的时候可以试试简单的方法在干扰源和被干扰对象之间放一块接地的铜皮如果干扰明显减小说明是电场干扰如果没什么变化大概率是磁场干扰。3、看频率和距离在近场区域距离小于λ/2π电场和磁场的衰减规律不同需要分别处理。到了远场电磁场已经耦合在一起变成了辐射电磁波这时候就不再区分电场和磁场而是统一按电磁兼容来处理。所以近场和远场的区分也很重要——你的整改措施是针对近场还是远场方法完全不同。电场干扰和磁场干扰虽然经常同时出现但耦合机制完全不同抑制方式也南辕北辙。电场靠电容耦合屏蔽靠接地导体降低被干扰端阻抗也有效磁场靠电感耦合屏蔽靠高磁导率材料减小回路面积才是根本。搞反了方向花再大代价也解决不了问题。下次做EMC整改先判断干扰类型再选对应手段——这一步想清楚了后面的整改效率能提升好几倍。