电磁干扰（EMI）是寄生电磁能量通过传导或辐射途径对电子设备、电路或系统造成的非期望影响。其本质是非预期的电磁能量耦合。消除 EMI 的关键在于减少、阻断或引导这些能量路径。

一、 电磁干扰产生的原理

核心原理在于麦克斯韦方程组描述的时变电场和磁场相互转化并向外传播。具体产生途径可归纳为三类：

1. 传导耦合：

   • 原理： 干扰信号通过金属导体（电源线、信号线、地线、公共阻抗）直接传导到受干扰设备。
   • 来源例子： 开关电源的输入谐波电流、数字电路的瞬态电流通过地线平面传导、设备内部不同电路通过共用电源内阻耦合。

2. 感应耦合（近场耦合）：

   • 原理： 干扰源和受扰体处于较近距离（通常小于波长/2π）。
   • 电场耦合（电容耦合）： 两个导体之间因寄生电容形成通路，高 dV/dt (电压快速变化) 的干扰源通过寄生电容将噪声耦合到邻近导体（导线或走线）。
   • 磁场耦合（电感耦合）： 两个电流回路之间因互感产生耦合，高 dI/dt (电流快速变化) 的干扰源在其周围产生变化的磁场，该磁场在邻近的导体环路中感应出干扰电压。变压器、电感、大电流开关回路是主要干扰源。
   • 来源例子： 开关电源的开关管附近的高速电压/电流跳变、相邻平行走线之间、电机线缆靠近信号线。

3. 辐射耦合（远场耦合）：

   • 原理： 干扰源作为天线（有意或无意）将电磁能量以电磁波形式辐射到空间（频率越高，波长越短，辐射效率越高），一定距离外的受扰体作为天线接收到这些能量。当距离大于波长/(2π) 时，辐射耦合占主导。
   • 关键要素：
     • 时变电流/电压： 产生电磁场的源。频率越高，辐射越强。
     • 天线结构： 任何具有变化的电流流动的导线或走线都可能成为天线，特别是长度达到波长几分之一时辐射效率提高。
     • 环路面积： 信号回路面积越大，作为磁场天线（接收和辐射）的效率越高。
   • 来源例子： 高频数字电路（CPU、内存、高速接口）的时钟和数据线、开关电源、射频发射机、闪电、静电放电。

关键驱动因素

• 开关速度/频率： 现代电子设备（特别是数字电路和开关电源）工作在高频和高速开关状态，产生极高的 dV/dt 和 dI/dt，是主要的干扰源。
• 环路面积： 大的电流回路既是高效的磁场辐射体，也是高效的磁场接收体。
• 不连续性和阻抗失配： 阻抗突变（如连接器、过孔、走线宽度变化）会导致信号反射、振铃（ringing），产生高频谐波成分，加剧辐射。
• 接地不当： 地线设计不良导致公共阻抗耦合（地噪声）和共模电压。

二、 如何消除/抑制电磁干扰（EMC 对策）

消除 EMI 通常需要综合运用多种技术，遵循“源头抑制、阻断路径、保护受体”的原则。

1. 源头抑制（抑制噪声的产生）：

   • 选择低 EMI 器件： 选用具有低开关噪声的器件（如低 dI/dt 的开关管、软恢复二极管），慢速逻辑器件（在满足性能前提下）。
   • 优化开关波形： 在驱动器输出端添加小电阻（如 22Ω-100Ω）或铁氧体磁珠，降低边沿速率（减缓 dV/dt, dI/dt），减少高频谐波分量（但需权衡信号完整性）。
   • 抑制电源噪声：
     • 电源滤波： 在电源入口和每个 IC（特别是高速、高耗电的）电源引脚附近放置 去耦/旁路电容（Decoupling Capacitors）， 尽可能靠近 IC 放置，提供高频电流路径。电容值组合（如 10uF + 0.1uF）以覆盖更宽频率范围。
     • 使用电源滤波器： 设备电源输入处安装 EMI 滤波器（共模电感 + X/Y电容组合）， 阻止内部噪声传导到电网，也阻止电网噪声进入设备。
   • 良好的 PCB 布局布线：
     • 最小化回路面积： 高速信号（时钟、数据总线）及其回流路径（地）要尽量平行紧靠布线（微带线/带状线），核心是减小信号电流回路的包围面积。关键信号使用地平面或电源平面作为邻近参考层。
     • 分区布局： 将模拟、数字、电源、射频等不同功能区物理分离，避免混合布线。
     • 避免阻抗突变： 保持走线特性阻抗连续，对高速信号进行阻抗控制。

2. 阻断传播路径（切断传导和辐射路径）：

   • 屏蔽（Shielding）：
     • 机箱/外壳屏蔽： 用导电性好的金属（铝、铜、钢板）或导电涂层/镀层（导电漆、导电布）包裹干扰源或敏感区域，通过吸收和反射将电磁波限制在内部或阻挡在外部。屏蔽体必须完整，缝隙和孔洞需处理（导电衬垫、金属簧片、屏蔽通风窗、屏蔽玻璃）。
     • 电缆屏蔽： 使用屏蔽电缆（如双绞线+总屏蔽）传输敏感信号。确保屏蔽层 360° 端接，连接到机壳地（低阻抗连接），避免“猪尾巴”连接。
     • 局部屏蔽： 在PCB上用屏蔽罩盖住关键噪声源（如时钟、开关电源）。
   • 滤波（Filtering）：
     • 信号线滤波： 在信号输入端或输出端增加 RC 低通滤波器、LC 滤波器或磁珠滤波器，滤除线上不需要的高频噪声（通常是共模噪声）。
     • 电源线滤波： 如前所述，在电源入口和各模块电源入口安装滤波器。
   • 隔离（Isolation）：
     • 变压器/光耦隔离： 在需要电气隔离的接口（如RS232/485、传感器输入、开关电源输入输出）使用变压器或光耦进行电隔离，阻断地环流噪声（传导路径）。
   • 减小耦合：
     • 增大间距： 增大噪声源与敏感电路/线缆之间的物理距离（尤其对于近场感应耦合）。
     • 正交布线： 避免敏感线与噪声线平行紧靠走线。如必须交叉，尽量垂直交叉。
     • 使用双绞线： 双绞线每绞合节点产生的磁场相互抵消，能有效抑制磁场（电感）耦合，也对电场耦合有一定抑制作用。

3. 保护受体（提高设备抗扰度）：

   • 优化设备内部设计： 上述源头抑制和阻断路径的方法也同样提高了设备本身的抗干扰能力（如良好的PCB布局、旁路电容、机箱屏蔽）。
   • 选用高抗扰度器件： 在关键部位选用电磁兼容性能更好的器件（如带施密特触发器输入的门电路）。
   • 软件容错： 在软件设计中加入看门狗、CRC 校验、重发机制等，提高系统对瞬时干扰的容忍度。
   • 接地（Grounding）：
     • 区分模拟地、数字地、电源地等： 敏感模拟地与噪声数字地应在一点连接（通常在电源处或靠近入口处单点连接）。
     • 保持地平面低阻抗： 保证接地导体足够粗，避免地线过长或形成高阻抗环路。多层板中完整的地平面是首选。
     • 连接器的地分配： 为连接器上的信号提供充足的地引脚，尤其对高频信号。
   • 瞬态保护：
     • TVS 管、气体放电管、压敏电阻： 在接口处添加浪涌保护器件，防止 ESD（静电放电）、雷电、电源切换等产生的瞬态高压/大电流损坏内部电路。

总结

解决 EMI 问题是一个系统工程，需要：

• 理解干扰源、耦合路径和敏感设备这三要素。
• 在设计之初就考虑 EMC（电磁兼容性）， “从源头抓起”是最有效和经济的方式。良好的 PCB 布局和接地设计是基础。
• 灵活组合应用屏蔽、滤波、接地、布线、隔离等技术。
• 借助仿真和测试工具（如频谱分析仪、示波器、近场探头）进行诊断和验证。
• 遵循相关国家和国际 EMC 标准（如 FCC, CISPR, EN/IEC 标准）。

不同行业和应用场景（如汽车电子、医疗设备、工业控制、航空航天、通信基站）对 EMI 的要求和具体对策细节会有显著不同，需根据具体标准和要求进行设计。