如何提高電子設(shè)備的電磁兼容性

1 引言

任何電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾和響應(yīng)過(guò)程，可以用輻射和傳導(dǎo)來(lái)描述干擾發(fā)生源，可以用輻射敏感性和傳導(dǎo)敏感性來(lái)描述響應(yīng)接收設(shè)備特性，因此，所有電磁干擾的抑制方法可以從以下三個(gè)方面入手：

——抑制電磁干擾源；

——切斷電磁干擾耦合途徑；

——降低電磁敏感裝置的敏感性。

本文主要圍繞這三個(gè)方面討論提高電子設(shè)備電磁兼容性的措施，諸如選擇抑制電磁干擾的電路，采用合適的工作狀態(tài)；實(shí)施正確的搭接、接地、屏蔽、濾波、分層防護(hù)；采用合理分類布線等方法都能有效地抑制電磁干擾或降低敏感。各種方法在電子設(shè)備中不僅獨(dú)立使用，而且相互之間又存在著關(guān)聯(lián)。

下面主要從接地、屏蔽和濾波等方面概述對(duì)干擾的抑制技術(shù)。

2 接地

在電子設(shè)備中接地是抑制電磁噪聲和防止電磁干擾以及保護(hù)人員和設(shè)備安全的重要方法之一。要求電子設(shè)備時(shí)機(jī)座、金屬外殼必須可靠地接地，這是為了保護(hù)人員和設(shè)備的安全，稱為“保護(hù)接地”；另一類接地稱為“屏蔽接地”，指為抑制干擾而采用的屏蔽層（體）的接地，以起到良好的抗干擾作用。

2．1 目的

接地的主要目的如下：

——保護(hù)設(shè)備和人身安全，防止雷電危害和電源故障時(shí)發(fā)生電擊；

——泄放靜電荷，以免設(shè)備內(nèi)部放電造成干擾；

——提高電子設(shè)備電路系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。

2．2 分類

2.2.1 懸浮地

指電子設(shè)備地線系統(tǒng)與接大地系統(tǒng)及其他導(dǎo)電結(jié)構(gòu)物相絕緣。主要抑制來(lái)自接線的干擾，如圖1所示。其優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性能好。缺點(diǎn)是電子設(shè)備容易產(chǎn)生靜電積累。當(dāng)電荷積累達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生靜電放電，另外在雷電的環(huán)境下，靜電感應(yīng)產(chǎn)生的高壓會(huì)在設(shè)備機(jī)箱內(nèi)產(chǎn)生飛弧，成為破壞性很強(qiáng)的干擾源 ， 也 容 易 使 操 作 人 員 遭 到 電 擊 。

圖1 設(shè) 備 懸 浮 地

2.2.2 單點(diǎn)接地

指電子設(shè)備中信號(hào)電路先參考于一點(diǎn)，然后把該點(diǎn)接至設(shè)施的接大地系統(tǒng)，如圖2所示。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單實(shí)用，地線上其它部分的電流不會(huì)耦合進(jìn)電路。缺點(diǎn)是需要大量導(dǎo)體，成本較高，而且隨著頻率升高，接地阻抗將增大，致使接地不理想。

圖2 設(shè) 備 單 點(diǎn) 接 地

一般適用于工作頻率在1MHz以下的低頻設(shè)備與系統(tǒng)中。

2.2.3 多點(diǎn)接地

指電子設(shè)備的各電路系統(tǒng)地線接至最近的低阻抗地線上，使接地線最短，如圖3所示。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化電子設(shè)備內(nèi)的電路結(jié)構(gòu)，能有效地降低接地阻抗及減少地線間的雜散電感和分布電容造成電路間的相互耦合。缺點(diǎn)是對(duì)接地點(diǎn)的要求較高。要求盡量減少接地線的雜散電感和分布電容，強(qiáng)調(diào)良好的連接。

主要適用于高頻電路多點(diǎn)接地。

圖 3 設(shè) 備 多 點(diǎn) 接 地

2.2.4 混合接地

結(jié)合了單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的特性，將設(shè)備低頻部分就近單點(diǎn)接地，高頻部分采用多點(diǎn)接地。

2．3 減小地線干擾的措施

2.3．1變壓器耦合

變壓器只能傳輸交流信號(hào)，不能傳輸直流信號(hào)。因此對(duì)地線的低頻干擾具有較好的抑制能力，并且電路單元間傳輸?shù)男盘?hào)電流只能在變壓器繞組中流過(guò)，不流經(jīng)地線，也可以避免對(duì)其它電路的干擾，如圖4所示。

圖 4 變 壓 器 耦 合

2．3.2 用同軸電纜傳輸信號(hào)

用同軸電纜傳輸信號(hào)能有效抑制地環(huán)干擾。

2．3.3 光耦合器

光耦合器把兩電路間的地環(huán)回路完全隔斷，更有效地抑制了地線干擾。

3 屏蔽

屏蔽是提高電子系統(tǒng)和電子設(shè)備電磁兼容性的重要措施之一，它能有效地抑制通過(guò)空間傳播的各種干擾，既可阻止或減少電子設(shè)備內(nèi)部的輻射電磁能對(duì)外的傳輸，又可阻止或減少外部輻射電磁能對(duì)電子設(shè)備的影響。

屏蔽按機(jī)理可以分為：電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽。

3．1 電場(chǎng)屏蔽

電子設(shè)備中所涉及的電場(chǎng)一般均是交變電場(chǎng)，這樣，可把電位不同的兩個(gè)單元間的電場(chǎng)感應(yīng)看作是兩者間分布電容的耦合，如圖5所示。圖中干擾源A的電位為UA，受感物B上的感應(yīng)電壓為UB，由圖5可知：

圖 5 電 場(chǎng) 感 應(yīng) 示 意 圖

UB=C1/（C1＋C2）UA

式中：C1——A、B間的分布電容（pF/m）

C2——受感物B對(duì)地的分布電容（pF/m）

由上式知，為減小電場(chǎng)感應(yīng)，可采取以下措施：

——增加干擾源A與受感物B之間的距離，以減小分布電容C1；

——將受感物B盡可能貼近地面（即底板、地線）安裝，以增大CA；

——在A與B之間加入金屬屏蔽，作用是減小C1，如圖6所示。

圖6 金 屬 板 屏 蔽

屏蔽體必須接地，最好直接接地。對(duì)于屏蔽體的形狀，最好是盒形和全封閉的，孔洞泄漏越小屏蔽效果越好。屏蔽體的厚度沒(méi)有要求，但材料要求用良導(dǎo)體，剛度和強(qiáng)度保證就可以了。

3.2 磁場(chǎng)屏蔽

磁場(chǎng)屏蔽通常指對(duì)直流磁場(chǎng)或甚高頻磁場(chǎng)的屏蔽。其屏蔽的效果比電場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽要差得多。在工程上抑制磁場(chǎng)干擾是一個(gè)十分棘手的問(wèn)題。

磁場(chǎng)屏蔽主要是利用高磁導(dǎo)率、低磁阻特性的屏蔽體對(duì)磁通所起的磁分路作用，使屏蔽體內(nèi)部的磁場(chǎng)大大減小，如圖7所示。

圖7 磁 場(chǎng) 屏 蔽

磁場(chǎng)屏蔽設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則如下：

——磁屏蔽體應(yīng)選用高磁導(dǎo)率的鐵磁性材料，防止磁飽和；

——被屏蔽物與屏蔽體內(nèi)壁應(yīng)留有一定間隙，防止磁短路現(xiàn)象發(fā)生；

——可增加屏蔽體壁厚，單層屏蔽體壁厚不宜超過(guò)2．5mm。若單層屏蔽體的屏蔽效果不好，可采用雙層屏蔽或多層屏蔽，也可防止磁飽和；

——應(yīng)使屏蔽體的接縫與孔洞的長(zhǎng)邊平行于磁場(chǎng)分布的方向，圓孔的排列方向要使磁路增加量最小，目的是盡可能不阻斷磁通的通過(guò)；

——屏蔽體加工成型后都要進(jìn)行退火處理；

——從磁屏蔽的機(jī)理而言，屏蔽體不需接地，但為了防止電場(chǎng)感應(yīng)，一般還是要接地。

3．3 電磁場(chǎng)屏蔽

電磁場(chǎng)屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場(chǎng)在空間傳播。電磁場(chǎng)屏蔽是靠對(duì)電磁波的反射和吸收來(lái)完成的，屏蔽效果與屏蔽體的厚度無(wú)關(guān)，這與電場(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽不同。

4 濾波

濾波器既可抑制從電子設(shè)備引出的傳導(dǎo)干擾，又能抑制從電網(wǎng)引入的傳導(dǎo)干擾。EMI濾波器主要是用于抑制干擾的濾波器。

EMI濾波器由線性元件電路組成，安裝在電源線與電子設(shè)備之間。它可使電源頻率通過(guò)，而阻止高頻噪聲通過(guò)，對(duì)提高設(shè)備的可靠性有重要作用。

4．1 結(jié)構(gòu)

EMI濾波器由集中參數(shù)元件（電感、電阻和電容）構(gòu)成無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，如圖8所示。

圖8 EMI濾 波 器 的 基 本 電 路 圖

圖中：Cx——抗差模電容，用于衰減差模干擾；

Cy——抗共模電容，用于衰減共模干擾；

R——電阻，用于消除在濾波器上可能出現(xiàn)的靜電積累；

L1、L2——共模電感線圈，它們所繞圈數(shù)相同，繞向相反，當(dāng)濾波器接入電路后，兩只線圈內(nèi)電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內(nèi)相互抵消，不會(huì)使磁環(huán)達(dá)到磁飽和狀態(tài)，從而保持兩只電感值不變，可以獲得較好的濾波效果。

在濾波器設(shè)計(jì)中選用X和Y電容器時(shí)，要重視其電容量、耐壓等級(jí)和安全等級(jí)的要求，因?yàn)樗鼈冎苯雨P(guān)系到EMI濾波器的安全性能。

4．2 安裝

在使用EMI濾波器時(shí)，要注意工作頻率和安裝位置。安裝要求如下：

——應(yīng)把濾波器外殼與設(shè)備金屬外殼牢固可靠地固定在一起，否則會(huì)增大接觸電阻，降低濾波性能；

——避免濾波器的輸入導(dǎo)線與輸出導(dǎo)線存在耦合，以免降低濾波器對(duì)EMI信號(hào)的抑制能力，最有效的解決辦法是將濾波器安裝在設(shè)備機(jī)殼的進(jìn)線處。

4．3 對(duì)濾波器的選用要求

主要選用要求如下：

——對(duì)濾波器進(jìn)行插入損耗測(cè)試；

——比較濾波器電路輸出阻抗與電源輸入阻抗，是否會(huì)影響濾波器的穩(wěn)定性；

——盡可能選擇能抑制自諧振的多級(jí)濾波器；

——高輸入阻抗濾波器與低電源阻抗相匹配；

——必須能承受偶然的高壓瞬變，如雷電沖擊。

5 結(jié)語(yǔ)

電磁干擾不僅影響電子設(shè)備自身的正常工作，而且有可能影響到其它電子設(shè)備的正常工作，因此電磁兼容性是電子設(shè)備設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題。只有對(duì)電磁干擾產(chǎn)生的原因進(jìn)行充分的分析和認(rèn)識(shí)，然后采取相應(yīng)的抗干擾措施，方可保證電子設(shè)備和電子系統(tǒng)正常工作。