電磁相容性 (EMC) 的基礎概念——簡單易懂的完整解析

在現今的科技世界，我們的電子設備越來越小、速度越來越快，電池續航力也在持續提升。但你是否想過，這些設備之間的相互干擾會帶來什麼問題？

當電磁波在空間中無序地傳播，可能會影響其他設備的正常運作，這就是所謂的電磁干擾 (EMI, Electromagnetic Interference)。為了解決這個問題，電磁相容性 (EMC, Electromagnetic Compatibility) 的概念應運而生，它的目標是讓電子設備既不會受到外界電磁干擾影響，也不會對其他設備產生干擾。

在這篇文章中，我們將深入探討電磁干擾的來源、傳播方式、解決方案以及國際標準，讓你能夠更輕鬆理解這個領域，並應用在實際產品設計上。

為什麼電子產品會產生電磁干擾？

隨著科技的進步，我們身邊的電子設備越來越多，從智慧型手機、電視、筆記型電腦、物聯網 (IoT) 設備，到電動車 (EV) 和混合動力車 (HEV)，這些設備同時運作時，會產生大量的電磁波。如果這些電磁波沒有受到適當控制，可能會干擾彼此的運作。例如：

• 家裡的Wi-Fi訊號變弱：當微波爐運作時，Wi-Fi 訊號可能會變差，因為微波爐和 Wi-Fi 同樣使用 2.4 GHz 頻段。
  

• 手機通話雜訊：當你靠近某些電器時，可能會聽到干擾雜訊，這是因為這些電器會產生電磁波，影響手機訊號。
  

• 汽車電子設備異常：電動車中的高壓電池與電子控制系統若沒有適當設計，可能會影響車內其他電子設備的正常運作。

這些現象都與 EMI 相關，為了確保電子設備能夠在不同環境下正常運作，就必須進行 EMC 設計，確保其符合國際標準。

電磁干擾的來源

EMI 主要分為兩大類：

1. 傳導發射 (Conducted Emissions)：透過電源線、訊號線、連接器等方式傳播的電磁干擾，頻率範圍通常落在 150 kHz ~ 30 MHz。
   

2. 輻射發射 (Radiated Emissions)：透過空氣傳播的電磁波，頻率範圍通常在 30 MHz ~ 1 GHz 之間。

電磁干擾的特性

電磁干擾 (EMI, Electromagnetic Interference) 的影響範圍廣泛，可能會導致電子設備運行異常，甚至完全失效。根據雜訊的產生方式與特性，EMI 可分為暫態性干擾與持續性干擾，這兩者在電磁相容 (EMC, Electromagnetic Compatibility) 設計時需要採取不同的抑制策略。

1. 暫態性干擾 (Transient Interference)

暫態性干擾是指發生時間短暫，但強度可能極高的瞬間雜訊，通常由電路內部或外部的快速開關動作所引起。這類干擾的特性是不連續、不規律，且可能包含高頻成分，若沒有適當處理，可能會影響敏感電子電路的正常運行。

常見的暫態性干擾來源

• 開關電源 (Switching Power Supply)

  • 開關電源內部的功率開關元件 (如 MOSFET 或 IGBT) 會在極短時間內開關，產生高 dv/dt (電壓變化率) 和高 di/dt (電流變化率)，進而產生高頻雜訊。

  • 這種雜訊可能透過電源線傳導，也可能透過空氣輻射影響其他電子設備。

• 馬達啟動 (Motor Start-Up)

  • 馬達啟動時瞬間需要大量電流，會造成電壓下降 (Voltage Sag) 以及電流的突波 (Inrush Current)，這些變化可能導致供電系統的電壓波動，影響其他設備。

  • 直流馬達 (DC Motor) 或交流馬達 (AC Motor) 在啟動時，其電刷與換向器的接觸變化會產生短暫的電弧放電，進而產生高頻雜訊。

• 繼電器開關 (Relay Switching)

  • 繼電器是電機系統中常見的開關元件，當其開關動作時，可能會產生感應式電壓尖峰 (Inductive Voltage Spike) 或電弧放電 (Arc Discharge)，特別是在開關感性負載 (如電動機、電磁閥) 時尤為明顯。

  • 這些電壓尖峰可能透過電路導致誤觸發，甚至損壞其他電子元件。

暫態性干擾的影響

• 可能導致微控制器 (MCU) 異常運作，甚至系統當機。

• 可能使通訊設備產生錯誤數據，如串列通訊 (UART, SPI, I²C) 發生錯誤。

• 可能造成電源供應器的電壓突波，進而損壞敏感元件。

暫態性干擾的抑制方法

• 加裝瞬態抑制二極體 (TVS, Transient Voltage Suppression Diode)，保護敏感電子元件免受瞬間電壓變動影響。

• 在繼電器線圈上加裝續流二極體 (Flyback Diode 或 Freewheeling Diode)，消除感性負載的電壓尖峰。

• 在馬達驅動電路中使用適當的緩衝電路 (Snubber Circuit)，減少馬達啟動時的突波電流對其他電路的影響。

• 使用 LC 濾波器或 RC 阻尼電路 (RC Snubber)，降低開關電源產生的高頻雜訊。

2. 持續性干擾 (Continuous Interference)

持續性干擾是指設備在運行過程中不斷產生的電磁雜訊，這類干擾的特點是長時間穩定存在，並可能隨著設備的運行狀態而變化。與暫態性干擾不同，持續性干擾往往是可預測的，因此可以透過適當的設計來有效抑制。

常見的持續性干擾來源

• 高頻電子設備 (High-Frequency Electronic Devices)

  • 如無線通訊設備、數位訊號處理電路、射頻 (RF) 模組等，這些設備內部的高速開關訊號會產生持續性的高頻雜訊。

  • 高速數位電路，如 FPGA、微處理器 (Microprocessor) 可能會產生頻率高達數 GHz 的雜訊。

• 電動馬達 (Electric Motor)

  • 電動馬達在運行時，其內部的電刷與換向器會產生連續的電弧放電，進而產生 EMI。

  • 變頻馬達 (Variable Frequency Drive, VFD) 透過高頻 PWM (Pulse Width Modulation) 控制，可能會在電源線與空氣中產生雜訊。

• 開關電源 (Switching Power Supply)

  • 開關電源在運行時，會產生持續性的高頻雜訊，特別是開關頻率範圍內的諧波 (Harmonics) 可能影響其他電子設備。

  • 電源線上的共模雜訊和差模雜訊會對其他電路造成干擾，尤其是在工業環境中。

• 無線通訊設備 (Wireless Communication Devices)

  • 無線網路 (Wi-Fi)、藍牙 (Bluetooth)、蜂巢式通訊 (Cellular Network) 等設備在發射訊號時，會產生強烈的電磁場，可能影響附近的電子設備。

  • 高功率無線電發射器可能會對周圍設備造成干擾，影響訊號品質。

持續性干擾的影響

• 可能造成 通訊設備的訊號衰減或數據錯誤 (例如 Wi-Fi、藍牙訊號不穩)。

• 可能導致 音頻設備的背景雜訊增加，如音響設備產生嗡嗡聲 (Hum Noise)。

• 可能影響 電源供應的穩定性，導致電壓波動 (Voltage Fluctuation)。

電磁干擾的傳播方式

EMI 主要透過兩種方式影響其他電子設備：

1. 傳導模式 (Conducted Mode)：

   • 差模雜訊 (Differential Mode, DM)：電流在電源與地線之間以對稱方式流動，可能會影響電源品質。

   • 共模雜訊 (Common Mode, CM)：電流在所有導線上以相同方向流動，可能會經由空氣耦合到其他電路中。

2. 輻射模式 (Radiated Mode)：

   • 若設備內部的高頻電流流過 PCB 走線、連接器，可能會像天線一樣發射電磁波，影響周圍的設備。

   • 例如，一條長的 PCB 走線可能無意間變成了一根「發射天線」，向周圍輻射高頻訊號。

如何解決電磁干擾問題？

工程師在設計電子設備時，必須採取各種方法來減少 EMI，確保 EMC 合規。以下是幾種有效的 EMI 解決方案：

1. PCB 設計優化

• 縮短走線：避免 PCB 走線過長，以免變成輻射源。

• 使用適當的接地技術：確保 PCB 具有良好的接地層，減少電流回路帶來的 EMI 問題。

• 避免高頻訊號跨越接地層的缺口，以防止雜訊傳播。

2. 使用 EMI 濾波器

• 低通濾波器 (LC 濾波器)：用來阻擋高頻 EMI 訊號，只允許低頻訊號通過。

• 共模電感 (Common Mode Choke)：有效降低共模雜訊，防止電源線上的 EMI 傳播。

• X 電容與 Y 電容：

  • X 電容用於電源線與地線之間，減少差模雜訊。

  • Y 電容用於電源線與機殼接地之間，減少共模雜訊。

3. EMI 屏蔽技術

• 使用金屬外殼：像筆記型電腦一樣，採用金屬機殼可以有效屏蔽內部 EMI。

• 屏蔽罩 (Shielding Cans)：在 PCB 內部關鍵高頻區域加裝屏蔽罩，防止 EMI 擴散。

4. 訊號完整性與時序調整

• 降低訊號的上升/下降速率：使用緩升緩降技術減少高頻雜訊。

• 使用展頻技術 (Spread Spectrum)：透過改變時脈頻率，使 EMI 分布在更廣的頻譜範圍內，降低峰值能量。

EMC 測試與國際標準

為了確保電子產品符合 EMC 要求，許多國際機構制定了測試標準，包括：

• FCC (美國聯邦通信委員會)

• IEC (國際電工委員會)

• CISPR (國際無線電干擾特別委員會)

• IEC 61000 系列：通用電磁相容標準。

• CISPR 22 & 25：資訊科技與車用電子 EMC 標準。

在 EMC 測試中，設備需要通過：

1. 傳導發射測試 (Conducted Emissions Testing)

2. 輻射發射測試 (Radiated Emissions Testing)

3. EMI 抗擾測試 (EM Immunity Testing)

這些測試可以在專業的 EMC 實驗室進行，也可以透過預合規測試 (Pre-compliance Testing) 提前驗證設計。

結論

隨著電子設備的普及，EMI 影響越來越重要，影響範圍從 Wi-Fi 連線品質到電動車的電子系統穩定性。透過良好的 PCB 設計、濾波技術、屏蔽措施以及遵守國際標準，我們可以在設計階段就減少 EMI 問題，確保電子設備符合 EMC 標準，提升產品品質與市場競爭力。

希望這篇文章能幫助你更輕鬆理解 EMC 的概念，並在實務設計中加以應用！