【實作實驗室】用一個元件搞定繼電器電磁干擾！

Posted By StrongPiLab on 6 月 22, 2021 in 實作派StrongPiLab, 教學文 | 0 comments

不知各位是否有訊號被干擾的經驗？這幾天我發現我的記憶體有時會讀寫錯誤，接上示波器一看，哎呀！怎麼這麼熱鬧，好多不知打哪來的突波出現，經過了解原來是繼電器的 EMI 作怪。雖然這個電路是實驗性質的東西，但龜毛的我還是需要了解一下原因，並嘗試找到答案，畢竟在實際做產品時，這種現象一定會被客戶打槍。

被干擾的訊號

我的記憶體使用的是 I²C（以下寫作 I2C）介面，它是一種 IC 間的通訊協定，發射與接收端之間使用兩條訊號線做傳輸，一個是 Data、另一個是 Clock，傳輸細節請看這篇 I2C-協定用法原理簡介-晶片溝通的橋樑。把示波器接上之後，竟然看到訊號線上有非常多的突波，真是傷腦筋，萬一突波剛好出現在 I2C 資料的取樣點上，那豈不是就發生資料讀寫錯誤了，而且 I2C 的發射端 master 可能也不會發現資料有問題，因為接收端 slave 都有回應 ACK。當然，若被干擾的是 ACK 本身，就要看 master 是否有重送的機制，但通訊協定不是我這次關心的重點。

我的重點是，能否將干擾消除？這要兩方面來思考，一個是電路本身的設計要能夠抗干擾，一個是想辦法降低干擾源。

遭受電磁干擾的 I2C 訊號（圖片來源：實作派提供）

繼電器是干擾源

我的應用電路需要與繼電器搭配，雖然繼電器與應用電路是兩個獨立的個體，但是擺放位置卻因為實際需求而擺在一起，才爆出這個問題。由於繼電器切換的時候，會發出很大的撞擊聲，讓人很難不注意到它的動作。每當雜訊出現時，我都會聽到繼電器發出的滴答聲響，如此的時間巧合，讓我推測元凶就是繼電器。

如下圖，繼電器是利用電磁鐵來切換電流路徑的裝置，而電磁鐵是線圈繞的，所以它同時也是一顆電感，當電流啟動或切斷的那一瞬間，電感會產生非常高的感應電動勢來對抗這樣的改變，這個感應電動勢便會形成電磁波干擾其他裝置，稱為電磁干擾（EMI，Electromagnetic Interference）。

而波形內有這麼多的突波，並不是我按了很多次按鈕喔，而是我每按一次按鈕，裡面的簧片彼此接觸那瞬間會有局部微小的反彈現象，因此電流會產生劇烈的變化，造成電壓快速的上下彈跳 Bounce，直到簧片接觸穩定為止。

圖中的繼電器內寫著 12 VDC 的橫向柱狀體就是電磁鐵，根據規格它需要吃 75 mA 的電流來驅動 switch，與一般只吃不到 1 mA 的元件來相比，真的是個龐然大物。