Nhiễu điện từ và các phương pháp chống nhiễu trong thiết kế mạch PCB (P1)

Phần 1: Tìm hiểu về nhiễu điện từ

I. Khái niệm:

Nhiễu điện từ (Electromagnec Interference) hay EMI, là những tín hiệu điện không mong muốn được sinh ra từ năng lượng điện trường. Những tín hiệu này có thể làm rối loạn, gián đoạn các đường truyền, hay làm cản trở, suy hao tín hiệu điện trong mạch dẫn đến làm mất hoặc làm sai lệch tín hiệu trong các hệ thống.

II. Phân loại:

Nhiễu điện từ có thể phân loại theo 3 cách:

  • Nguồn nhiễu
  • Thời gian nhiễu
  • Băng thông của nhiễu

1. Nguồn nhiễu:

Một cách để phân loại nhiễu điện từ là xem xét nguồn gốc tạo ra các loại nhiễu. Dựa vào cách này, ta có thể chia nhiễu điện từ thành hai loại: nhiễu tự nhiên và nhiễu do con người tạo ra.

  • Nhiễu tự nhiên bao gồm các tia trong vũ trụ, mặt trời, tuyết, bão, mưa và sấm sét,… là những ví dụ của hiện tượng tự nhiên có thế gây ra nhiễu điện từ trong hệ thống mạch điện tử của bạn. Đây là nguồn gây nhiễu chính và phổ biến trong các hệ thống radio, hệ thống radar, các ứng dụng không gian, vũ trụ, thiên văn vô tuyến, viễn thông,… Vì những loại nhiễu này, con người không thể kiểm soát được nên người thiết kế cần phải xem xét các yếu tố tự nhiên đối với hệ thống của mình.
  • Nhiễu do con người tạo ra được phân chia thành 2 loại: chủ đích và không chủ đích. Nguồn chủ đích là nguồn mà tạo ra sóng điện từ nhằm mục đích hoạt động của chúng, ví dụ như tivi, điện thoại, Những tín hiệu này là quan trọng và không thể can thiệp. Vì vậy, để giảm tác động của chúng thì bằng cách tập trung bảo vệ các thiết bị còn lại dưới tác dụng của nguồn nhiễu. Nguồn không chủ đích sinh ra nhiễu điện từ không mong muốn trong quá trình hoạt động của chúng, đây là nguồn nhiễu phổ biến nhất trong các hệ thống. Nguồn không chủ đích bao gồm các thiết bị như: động cơ, thiết bị điện, biến tần, bộ chỉnh lưu,… Các nguồn nhiễu này phải được triệt tiêu để đảm bảo hoạt động bình thường của các thiết bị còn lại.

2. Thời gian nhiễu:

Ta có thể phân loại các loại nhiễu dựa vào khoảng thời gian xáy ra nhiễu. Dựa vào đây, người ta thường chia làm 2 loại: nhiễu liên tục và nhiễu dạng xung.

  • Nhiễu liên tục là loại nhiễu mà nguồn nhiễu liên tục phát ra. Loại nhiễu này có thể do tự nhiên hoặc do con người tạo ra, nhưng chúng sẽ diễn ra liên tục miễn là đường dẫn nhiễu vẫn còn tồn tại giữa nguồn nhiễu và vật nhận nhiễu.
  • Nhiễu dạng xung là loại nhiễu xảy ra không liên tục hoặc trong một thời gian rất ngắn. Loại nhiễu này cũng có thể do tự nhiên hoặc do con người tạo ra. Các chuyển mạch trong hệ thống là một trong số ví dụ về nguồn gây ra các loại nhiễu dạng xung này.

3. Băng thông của nhiễu:

Ta cũng có thể phân loại nhiễu dựa vào băng thông của chúng. Băng thông của nhiễu điện từ là dải tần số mà nhiễu tạo ra. Dựa vào đây, nhiễu được chia làm 2 loại: nhiễu băng thông hẹp và nhiễu băng thông rộng 

  • Nhiễu băng thông hẹp là loại nhiễu bao gồm một tần số duy nhất và hoặc dải tần số băng thông hẹp, chúng có thể tạo ra từ một dạng dao động nào đó hoặc những tín hiệu giả do các dạng sai lệch trong máy phát. Trong hầu hết các trường hợp, loại nhiễu này ảnh hưởng thấp đến thông tin liên lạc hoặc thiết bị điện tử và có thể điều chỉnh dễ dàng. Tuy nhiên, chúng cũng là một nguồn gây nhiễu cho hệ thống và cần được giữ trong một giới hạn cho phép.
  • Nhiễu băng thông rộng là loại nhiễu không tạo ra các tần số đơn hay rời rạc, chúng chiếm phần lần lớn trong quang phổ từ, tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, và có thể do tự nhiên hoặc con người gây ra. Các nguyên nhân điển hình như phóng điện hồ quang và hào quang. Một số ví dụ như trường hợp gây ra nhiễu loại này được gọi là hiện tượng “Sun outage” đã diễn ra khi năng lượng mặt trời làm gián đoạn tín hiệu từ vệ tinh liên lạc. Một ví dụ khác được sinh ra từ hồ quang trong hệ thống đánh lửa, đường dây điện bị lỗi, đèn huỳnh quang kém,…

III. Bản chất của nhiễu:

Nhiễu điện từ như đề cập ở trên là một sóng điện từ bao gồm thành phần điện trường E (electric field) và từ trường H (magnectic field), chúng dao động vuông góc với nhau. Mỗi thành phần sẽ có tương tác khác nhau với các thông số của bo mạch như tần số, điện áp, dòng điện, khoảng cách. Vì vậy cần hiểu rõ bản chất nhiễu điện từ để biết được sự quan trọng của các thành phần nhiễu trước khi vấn đề được làm rõ.

Chẳng hạn như, đối với thành phần điện trường của nhiễu thì có thể suy giảm hiệu quả với các vật liệu dẫn điện cao nhưng lại ít có tác dụng đối với vật liệu có tính thẩm thấu cao, thứ mà cải thiện đáng kể thành phần từ trường của nhiễu. Như vậy, độ thẩm thấu cao tăng lên trong hệ thống nhiễu từ trường mà điện trường chiếm ưu thế cao sẽ suy giảm nhưng suy giảm sẽ được cải thiện trong nhiễu từ trường mà từ trường chiếm ưu thế. Tuy vậy, do những tiến bộ trong công nghệ chế tạo linh kiện điện tử mà điện trường E là thành phần chính của nhiễu điện từ.

IV. Các khớp nối dẫn nhiễu:

Các khớp nối dẫn nhiễu mô tả lại con đường mà nhiễu sinh ra từ nguồn nhiễu rồi truyền đến vật nhận nhiễu. Việc hiểu được bản chất của nhiễu cũng như cách mà chúng vận hành trong hệ thống mạch điện tử là chìa khóa để giải quyết vấn đề. Nhiễu điện từ cấu thành từ hai thành phần (từ trường và điện trường) nên nhiễu truyền từ nguồn đến vật nhận thông qua 4 khớp nối chính: dẫn điện (conduction), bức xạ (radiation), điện dung (capacitive coupling), cảm ứng (inductive coupling).

1. Dẫn điện:

Khớp nối dẫn điện xảy ra khi nhiễu được truyền dọc theo dây dẫn (dây và cáp) kết nối nguồn nhiễu và bộ phận nhận nhiễu. Nhiễu trên khớp nối này chủ yếu nhiều trên đường dây nguồn và có thành phần từ trường chiếm ưu thế. Khớp nối dẫn điện sẽ tồn tại ở 2 chế độ: chế độ chung (nhiễu xuất hiện cùng pha trên đường +v và –v) và chế độ sai lệch (nhiễu xuất hiện lệch pha trên 2 đường dây). Một phương án phổ biến để hạn chế nhiễu trên khớp nối dẫn điện là sử dụng bộ filter và bộ shield cho cáp.

2. Bức xạ:

Khớp nối bức xạ là khớp nối phổ biến nhất và thường xuất hiện trong các khớp nối nhiễu. Không giống như dẫn điện, khớp nối bức xạ không có sự kết nối vật lý nào giữa nguồn nhiễu và vật nhận nhiễu mà nhiễu điện từ sẽ được truyền trong không gian.

3. Điện dung:

Khớp nối điện dung là khớp nối xảy ra ở hai thiết bị kết nối với nhau. Khớp nối xuất hiện khi có sự thay đổi điện áp ở nguồn điện dung dẫn đền truyền điện tích cho thiết bị còn lại.

4. Cảm ứng:

Khớp nối cảm ứng là khớp nối mà vật dẫn gây nhiễu cho thiết bị gần đó thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ.

 

Tìm hiểu thêm:

[HỌC ONLINE TẠI TAPIT: LẬP TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN STM32, VI XỬ LÝ ARM CORTEX – M]
Xem thêm Tổng hợp các bài hướng dẫn Lập trình vi điều khiển STM32 tại đây.
Xem thêm Tổng hợp hướng dẫn Internet of Things với NodeMCU ESP8266 và ESP32 tại đây.

Tài liệu tham khảo:
Electromagnetic Interference (EMI): https://circuitdigest.com/article/electromagnetic-interference-types-standards-and-shielding-techniques

Nhóm TAPIT – HW