计算机系统中的电磁兼容性

【摘　要】　计算机的高速化、高灵敏化、高密度集成化，使计算机电磁兼容性问题更加突出。高速化带来宽带噪声，高灵敏度使原可略去的弱小噪声不可忽略，高密度集成化增加了内部的耦合干扰，系统化使干扰问题更为恶化。因此，掌握电磁兼容技术，使产品具有良好的电磁兼容性，已经成为现代电子工程师所面临的重大挑战。
　　关键词：电磁兼容性，串模干扰，共模干扰

　　数字计算机是一个复杂的电子系统，它含有多种元器件和分系统。外来电磁辐射以及内部器件之间、分系统之间、各传送通道间的相互串扰对计算机及其数据信息所产生的干扰与破坏，严重地威胁着计算机工作的稳定性、可靠性和安全性。同时，计算机作为高速运行的电子设备，又不可避免地向外辐射电磁，对环境中的人体、设备产生干扰、妨碍或损伤。因此，研究计算机与电磁环境的兼容性是电磁兼容性领域里的重要方面。
1　计算机电磁兼容性问题的特殊性
　　数字计算机以高速运行及传送数字逻辑信号为两大特征，因而在电磁兼容性问题的研究中与其它电子设备相比，具有许多特殊性。数字计算机中以数字电路为主，随着集成电路进入了0．18μm及更微细深亚微米工艺，CPU的工作频率不断提升，功耗要求更低，加上数据存储系统的高速化、宽带化、海量化，以及大容量可编程专用器件的广泛运用等，这一切使得计算机系统以低电平传送信号时，在电磁环境中更易受内部及外部干扰，成为干扰信号的敏感接收装置。
　　干扰对数字电路与模拟电路的影响有本质上的不同：对模拟电路的影响是连续的，随干扰强度的增大而加大，干扰消失后可恢复原状态；而数字电路是逻辑工作方式，存在阈值电平及与之相对应的干扰容限（又称噪声容限），只有超过这一容限的干扰信号才有危害，比模拟电路有利。数字计算机有存储功能、判断功能及高速运算功能，这为抗电磁干扰的设计提供了有利条件。但是也可能带来严重的弊端，如在模拟电路中，瞬时干扰消失后系统可恢复正常工作，而在存储记忆功能的数字电路系统中，瞬时干扰信号会产生误码和数据丢包甚至死机。
　　数字计算机传送的是脉冲信号，同时也易对脉冲敏感。以开关模式工作的开关及开关电源，其变化频率高达几十万赫，容易在内外产生脉冲干扰。因此，脉冲干扰是研究的重点。
　　数字计算机系统工作频率范围很宽（150kHz～500MHz），包含了中波、短波、超短波及微波前端，正好与各种通信、电视、医疗、军用仪器同频段，电磁环境复杂，被干扰的可能性极大，当其电磁辐射空间场强超过126dB时，将对计算机构成严重干扰，计算机受害的程度取决于干扰的频率、场强及计算机自身的电磁敏感度，为了安全可靠，计算机系统应按要求的最小带宽设计。
　　计算机是个低电平系统，但是却能产生上千、上万伏的瞬时电压，RAM正常工作时耗电电流很小，但是在瞬间的高低电平转换时，一片RAM能有几十mA的电流，若变化时间仅有数个ns，则由于di／dt太大，那么对于大型和巨型的电源系统就有上百安培的动态变化量。发现和寻找计算机干扰源的办法是寻找产生高频及电流电压发生瞬时变化（di／dt，du／dt值大）的部位。通常计算机产生出有威胁的干扰部位是时钟发生器。
2　计算机系统的电磁干扰形式和抑制方法
　　干扰侵入计算机的主要途径有电源系统、传导通路、对空间电磁波的感应三方面（包括内部空间的静电场、磁场的感应），如图1所示。

　　其中，静电场、磁场的感应在计算机内普遍存在，静电是MOS电路的大敌。由于机器内有大量的磁媒体，同时计算机工作于低电压大电流方式（3．3V、5V、几百安），电源线、输入输出线构成高速大电流回路，故有较强的磁感应。
　　由于高速性、高密集性和逻辑工作状态，使得计算机中使用的传输线常需注意按具有分布参数特性的长线的理论去考虑，长线有延时、波形畸变、受外界干扰等三方面问题，因此应采取屏蔽与匹配措施，甚至于印制电路板上的走线也要按下面公式验证后再决定是否按长线处置：
　　Lc＝Tr／2Tp
式中，Lc—临界长度；Tr—上升时间；Tp—延迟时间。
　　当线长大于Lc时，按长线处理，Lc的数值实质上是频率和波行的函数。
　　计算机中的串模与共模是干扰信号的两种形态，在计算机中常用此来表征干扰作用的存在。如图2所示。
　　串模干扰是指串联于信号回路中的干扰，产生于传输线的互感，和频率有关，常用滤波和改善采样频率来减少。共模干扰是干扰电压同时加到两条信号线上出现的干扰，因此线路传输结构保持平衡能很好地抑制共模干扰。另外，消除地电流，也能消除共模干扰。消除地电流的办法是一点接地或浮空隔离（脉冲变压器、扼流圈或光耦合器截断地电流）。共模干扰要变成串模干扰才能对电路起作用。
　　影响计算机电磁兼容性的因素见下式：　　

N（w）＝G（w）C（w）／I（w）

式中，N（w）—干扰对设备的影响；G（w）—干扰源的强弱；C（w）—干扰传输的耦合因素；I（w）—受干扰设备的抗干扰能力，即敏感度阈值。
　　上式说明影响计算机受干扰程度的因素有三个方面，它们都是频率的函数。公式提示了提高抗干扰能力的原理是：（1）切断干扰源，即减少G（w）；（2）减小耦合，即减小C（w）；（3）提高受干扰设备的敏感度阈值，即加大I（w）。在实际情况中，往往是三个因素综合考虑，并按（1）（2）（3）的顺序去采取措施，以获得最佳的效果。
　　硬件法、软件法、软硬件结合法是计算机电磁兼容性设计的三种方法，其中软件法和软硬件结合法是计算机突出的特点和独到之处。这两个方法应用的前提是硬件不被破坏、程序不受干扰和RAM中的重要数据未被破坏。因为软件存在于ROM、RAM中，抗干扰的软件需要靠硬件去控制执行。
　　巨型、大型计算机定型后，存在的电磁兼容性问题便主要是机房屏蔽、接地和因运行速度提高后带来的一系列电磁兼容性问题。研究计算机系统电磁兼容性问题应研究计算机本身（含电源）、总线、接口、A／D（D／A）及传输线的干扰、抗干扰。采用光纤电路抗电磁脉冲干扰是最理想的途径。光束传输信号和处理信号利用了光技术所具有的高密集度传送信息，不受电磁感应噪声影响。导体上感应的以电流或电压形式出现的脉冲都不能通过光学纤维进行传输，光信号的频率与电磁脉冲的频率相隔很远，互相不会发生干扰，能确保信号的完整性。
3　数字工程师应正确理解和处理高速数字电路设计中的EMC问题
　　对于数字工程师来说，理解和处理EMC问题确实存在一定的困难，而更糟糕的是一些数字工程师根本不相信EMC。在最近的西雅图IEEE电磁兼容性（EMC）年会上就讨论了五种数字工程师容易误解的观点。正确认识这五种观点有助于理解计算机系统的电磁兼容性设计。
　　（1）数字工程师不相信电流是循环的。从数字简图上可以看出，逻辑网上的数字信号是在门之间传递的，这些信号是以电子流的形式实现传递的，而电子流也总是循环流动的，但是在简图中并没有示意返回信号流的路径。

　　许多数字工程师都相信返回的路径是不相干的。如果逻辑驱动器充当电压源，而输入充当电压接收器，他们则推论出担心电流的原因。
　　（2）数字工程师不相信H场。现在的高速数字系统电路是低阻抗的，接近50欧姆，大大低于377欧姆的自由空间阻抗，而数字电路周围的大多数近场能量则处于磁场状态，并非电子场状态，因此高速数字系统中的交叉干扰、接地逆跳和干扰问题涉及电流、磁场和电感的循环。在EMC世界中，数字电路板周围的近场能量大多数是磁性的。
　　（3）数字工程师不相信门是差动放大器。典型的产品数据单中是采用绝对伏特单位对输入电压的灵敏度进行评定的，但是就门仅仅对应于输入引脚电压和指定的参考引脚电压之间的区别而言，没有作出明确的说明，另外，也不明确哪一个是指定的参考引脚。（对于TTL来说，指阴极电源干线；对ECL来说，指阳极线。）
　　这种概念的不明确使许多工程师认为门可以感知“绝对零”伏特，就好象具有魔力的电线从芯片中引出，连接到地球的中心，从而找出“真正的”接地参考电压。因而，他们无法理解系统中的两点接地电压不相等时所产生的问题。
　　大多数的数字工程师都没有花时间去考虑系统中不同的接地电压的存在，以及对性能产生的效应，或者实现接地移动的机制。
　　（4）数字工程师不相信电磁波。尽管在工作中会遇到大量的有关电磁场的实例，但许多的数字工程师仍不相信数字系统中产生过这种效应，其根源在于波动不存在于Spice设备中。一代电路设计者相信基于Spice的软件仿真世界是真实条件下运作的真实电路的表现，但他们不理解这是有限制性的。
　　（5）数字工程师不相信理解EMC有助于自身的事业发展。

参考文献

1　沙　斐．信息技术设备的电磁辐射及其抑制．安全与电子兼容，2000（3）