【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

作者：實作派

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。

繼電器-已打開外蓋（圖片來源：實作派提供）

EMI 干擾訊號

把受干擾的 I2C 訊號沿時間軸放大來看，你會看到這些干擾的震幅相當大，這裡一格是 5 V 喔！SDA 與 SCL 都是 3.3 V，光是干擾就可以超過 3.3 V 很多，實在是太可怕了。

遭受 EMI 電磁干擾的訊號（圖片來源：實作派提供）

加電容為何無效

每當遇到這種突波、雜訊等問題，大家的第一反應都是加電容，但是真的加上去之後，你會發現是無效的，為什麼？課本不是都教我們要利用電容來濾波嗎？

其實課本教得沒錯（如下圖），只是它講的是用來克服從電源端 V1 過來的雜訊，可以透過 R1、C1 將雜訊濾掉。同樣的，從繼電器來的干擾磁場 B₁，所形成的感應電流 i₁也可以透過 R1、C1 濾掉，因為電容在高頻訊號上形同短路，下面是電容阻抗的公式，頻率越高阻抗越低。

$Z_{c}= \frac{1}{j\omega c}$

但我們加進去的電容 C1 與 OP（下圖的放大器OA3）之間的導線好歹是有長度的，因此它還是會形成一個迴圈，從繼電器來的電磁干擾波 B₂ 會在迴圈內形成 i₂，而 OP 的輸入端是高阻抗，因此雜訊無法經由 C1 消除，於是雜訊就被 OP 吃進去了。

EMI 干擾是在 C1 電容的後級出現（圖片來源：實作派提供）

所以加上電容會無效是因為雜訊的切入點根本就在電容之後，而 OP 的輸入端並沒有任何外部電容存在，所以電容要越靠近 IC 的輸入端越好，這種電容稱為 bypass 電容或稱旁路電容，一般在 IC 電源接腳上的旁路電容都用 0.1 uF。既然導線一定有長度，所以干擾一定會有，我們只能盡力改善而已。

另外如果在 I2C 的銅線上加旁路電容可以嗎？當然可以，但不能加太大，以我的電路來說大概只能加上 300 pF 以下的電容，否則 I2C 自身的訊號會從方波變成三角波或鋸齒波，因為方波被積分了。

下圖是我加了電容看到的波形，從 50 p 到 1000 p 我都試過了，除了電容變大可能會把 I2C 的波形搞爛之外，如各位所看到，EMI 的干擾波完全不受影響，依舊如此的尖銳。因為印刷電路板的 layout 是固定的，電容與 I2C chip 之間的空隙就是這麼大，除非再改一板 layout，不然無解，但這工程浩大我還真不想這麼做，所以各位就知道要在設計初期就需要把干擾考慮進來，不然到了後期才要解問題，你的處理空間會變很小。

加電容並無助於減少 EMI 電磁干擾（圖片來源：實作派提供）

你看到的雜訊非實際的雜訊

如果想親自看看 EMI 干擾的威力，不一定需要繼電器，只需要如下圖把示波器的探棒勾住它自己的 GND，然後配上一只檯燈就行。探棒勾住 GND 的目的是作為天線使用，因為 Ground lead 與探針之間所形成的迴路就是磁場感應電流的迴路，而探針本身的輸入阻抗是 10 MΩ，阻抗非常的高，因此感應電動勢幾乎可以完整地被觀察到。

此時只要將檯燈的開關打開或關閉，示波器上就會出現探棒迴路收到的電磁干擾。那問題來了，當我們使用探棒測量電路時，如何知道示波器顯示的雜訊到底是電路貢獻的，還是探棒迴路貢獻的？

若你用的是帶 GND 尾巴的探棒，那還真的是分不出來誰是誰，我不確定坊間是否有 Ground loop 面積超級小的被動探棒，但我知道主動探棒有這樣的設計，只是那一支超級貴，若真的有需要也是得買。

只要有電流迴圈，就會受到電磁干擾訊號，探棒也不例外（圖片來源：實作派提供）

加上「二極體」就能解決干擾源

既然電路板 layout 沒法改，加電容也沒效果，探棒不管怎麼接都會有 loop，那不妨將焦點放在改善干擾源。Relay 的電磁鐵是個大電感，在斷電的那一瞬間，儲存於線圈內的能量必須要讓它有個去處，否則會形成非常大的電壓在線圈兩端，因此只需要在線圈的兩端反向跨接一個二極體，就能有效將剩餘的能量消耗掉。

這個二極體只在反向電流產生時會發生作用，這種接法的二極體稱為 flyback diode，用來防止繼電器跳火，對我們來說它可以有效降低發射出去的電磁波。

Relay with Flyback diode（圖片來源：實作派提供）

實際接線如下圖，我將二極體 1N4001 鎖在繼電器的插座上，很醜但是很有用。如果你仔細看會發現我把繼電器的外殼給拔了，因為繼電器實在太吵了，所以只好將它拆開，用一個杜邦頭塞在開關的縫隙中，讓開關不會移動，就不會產生噪音。

線圈端加了二極體的繼電器（圖片來源：實作派提供）

改善成效

加了二極體之後，I2C 的波形如下圖，你可以發現突波減少很多，高能量的突波已經看不到了，螢幕內只有中間的觸發點才是 EMI 的突波位置，其他位置的突波是 I2C 自身的串音干擾 cross talk，而且剛才有提到光是示波器探棒的 ground lead 形成的迴圈就足以貢獻很多雜訊了，因此真正進入 I2C 的雜訊是少很多的。

已降低電磁干擾的I2C訊號（圖片來源：實作派提供）

為了避免 I2C 的串音干擾示波器的觸發，我停止傳送 I2C 訊號，這樣就能直接觀察到 EMI 的訊號，結果如下圖，干擾真的小了非常多。如果你的電路會偶爾發生誤動作的情況，就需要往干擾的方向思考，EMI 只是其中一個環節，而且它是一門專業，真正要做產品時是需要經過 EMI 與 EMC 驗證的，否則消費者該不會希望誤動作發生在十萬火急的時候。

這裡有一篇 Analog Device 的文章 Power Bypass Decoupling of SHARC Processors，裡面對於 bypass 電容有非常深入的探討，各位可以參考。

另外還有一個別人做的影片 Inductive spiking, and how to fix it!，實際驗證了電阻性與電感性的負載，我想對各位會非常有幫助。