電磁兼容設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

姜興杰

摘 要：以實(shí)際工程中常遇到的電磁兼容問(wèn)題為背景，簡(jiǎn)要地介紹了有關(guān)電磁干擾及有關(guān)抗干擾措施方面的內(nèi)容。通過(guò)對(duì)接地方法、屏蔽思想和濾波手段的詳細(xì)論述和獨(dú)到見(jiàn)解，提出了系統(tǒng)電磁兼容的設(shè)計(jì)思想以及解決方法，并對(duì)實(shí)際工作中常見(jiàn)的干擾、濾波及接地等電磁兼容現(xiàn)象給出相應(yīng)分析與解決建議。

關(guān)鍵詞：電磁兼容； 抗干擾措施； 濾波手段； 屏蔽； 接地方法

中圖分類(lèi)號(hào)：TN97-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)09-0164-04

Design and Application of Electromagnetic Compatibility

JIANG Xing-jie

(No.39 Institute of CETC,Xian 710065,China)

Abstract： Aiming at the EMC problem often encountering in the actual engineering,the electromagnetic interference and anti-interference measures are introduced briefly. The grounding method,shielding idea,filtering approach and unique insights for anti-interference are elaborated. The design concept and solutions in the aspect of system electromagnetic compatibility are proposed. The filtering,grounding,interference often encountering in the actual engineering and other phenomena of electromagnetic compatibility are analyzed,and solutions for dealing with the difficulties mentioned above are provided.

Keywords： electromagnetic compatibility; anti-interference measure; filtering approach; shielding; grounding method

0 引 言

電磁兼容技術(shù)是一門(mén)迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，涉及電子、計(jì)算機(jī)、通信、航空航天、鐵路交通、電力、軍事以至人民生活各個(gè)方面。在當(dāng)今信息社會(huì)，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)系統(tǒng)中采用的電氣及電子設(shè)備數(shù)量大大增加，而且電子設(shè)備的頻帶日益加寬，功率逐漸增大，靈敏度提高，聯(lián)接各種設(shè)備的電纜網(wǎng)絡(luò)也越來(lái)越復(fù)雜，因此，電磁兼容問(wèn)題日顯重要。

1 基本概念和術(shù)語(yǔ)

1.1 電磁兼容性定義

所謂電磁兼容性(EMC)是指電子線(xiàn)路、系統(tǒng)相互不影響，在電磁方面相互兼容的狀態(tài)。IEEE C63.12-1987規(guī)定的電磁兼容性是指“一種器件、設(shè)備或系統(tǒng)的性能，它可以使其在自身環(huán)境下正常工作并且同時(shí)不會(huì)對(duì)此環(huán)境中任何其他設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁干擾”。

1.2 電磁干擾三要素

一個(gè)系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)某一線(xiàn)路受電磁干擾程度可以表示為如下關(guān)系式：

N=G?C/I

式中:G為噪聲源強(qiáng)度；C為噪聲通過(guò)某種途徑傳到受干擾處的耦合因素；I為受干擾設(shè)備的敏感程度。

G,C,I這三者構(gòu)成電磁干擾三要素。電磁干擾抑制技術(shù)就是圍繞這三要素所采取的各種措施，歸納起來(lái)就是：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。

1.3 地線(xiàn)的阻抗與地環(huán)流

1.3.1 地線(xiàn)的阻抗

電阻指的是在直流狀態(tài)下導(dǎo)線(xiàn)對(duì)電流呈現(xiàn)的阻抗，而阻抗指的是交流狀態(tài)下導(dǎo)線(xiàn)對(duì)電流的阻抗，這個(gè)阻抗主要是由導(dǎo)線(xiàn)的電感引起的。如果將10 Hz時(shí)的阻抗近似認(rèn)為是直流電阻，當(dāng)頻率達(dá)到10 MHz時(shí)，它的阻抗是直流電阻的1 000~100 000倍。因此對(duì)于射頻電流，當(dāng)電流流過(guò)地線(xiàn)時(shí)，電壓降是很大的。為了減小交流阻抗，一個(gè)有效的辦法是多根導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)，以減少和地線(xiàn)之間的電感。當(dāng)兩根導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)時(shí)，其總電感L為：

L=(L1+M)/2

式中:L1是單根導(dǎo)線(xiàn)的電感；M是兩根導(dǎo)線(xiàn)之間的互感。

1.3.2 地環(huán)流

由于地線(xiàn)阻抗的存在，當(dāng)電流流過(guò)地線(xiàn)時(shí)，就會(huì)在地線(xiàn)上產(chǎn)生電壓。這種干擾是由電纜與地線(xiàn)構(gòu)成的環(huán)路電流產(chǎn)生的，因此成為地環(huán)路干擾,如圖1所示。

圖1 地環(huán)流示意圖

1.4 公共阻抗干擾

1.4.1 公共阻抗耦合定義

當(dāng)兩個(gè)電路共用一段地線(xiàn)時(shí)，由于地線(xiàn)的阻抗，一個(gè)電路的地電位會(huì)受另一個(gè)電路工作電流的影響。這樣一個(gè)電路中的信號(hào)會(huì)耦合到另一個(gè)電路，這種耦合稱(chēng)為公共阻抗耦合，如圖2所示。

圖2 公共阻抗耦合示意圖

1.4.2 消除公共阻抗耦合措施

消除公共阻抗耦合的途徑有兩個(gè)，一個(gè)是減小公共地線(xiàn)部分的阻抗，另一個(gè)方法是通過(guò)適當(dāng)?shù)慕拥胤绞奖苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線(xiàn)，一般要避免強(qiáng)電電路和弱電電路共用地線(xiàn)，數(shù)字電路和模擬電路共用地線(xiàn)。

2 電磁干擾的抑制方法

電磁干擾的抑制方法很多，基本方法有三種，即接地、屏蔽和濾波。每種方法在電路與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中各有獨(dú)特作用，但在使用上又是相互關(guān)聯(lián)。如良好的接地可降低設(shè)備對(duì)屏蔽和濾波的要求，而良好的屏蔽也能降低對(duì)濾波的要求。

2.1 接地

接地從表面上看是十分簡(jiǎn)單的事情，實(shí)際上是最難的技術(shù)。造成這種情況的原因是對(duì)于接地沒(méi)有一個(gè)很系統(tǒng)的理論或模型，因此接地設(shè)計(jì)在很大程度上依賴(lài)設(shè)計(jì)師的直覺(jué)，依賴(lài)他對(duì)“接地”這個(gè)概念的理解程度和經(jīng)驗(yàn)。

2.1.1 接地的分類(lèi)

根據(jù)使用功能的不同，可以把接地分成如下幾種形式：

(1) 安全接地：使用交流電的設(shè)備必須通過(guò)黃綠色安全地線(xiàn)接地，否則當(dāng)設(shè)備內(nèi)的電源與機(jī)殼之間的絕緣電阻變小時(shí)，會(huì)因?yàn)槁╇姸鴮?dǎo)致電擊傷害。

(2) 雷電接地：設(shè)施的雷電保護(hù)系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，由避雷針、下導(dǎo)體和與接地系統(tǒng)相連的接頭組成。該接地系統(tǒng)通常與安全接地接在一起。雷電放電接地僅對(duì)設(shè)施而言，設(shè)備沒(méi)有這個(gè)要求。

(3) 電磁兼容接地：出于電磁兼容設(shè)計(jì)而要求的接地，包括：

屏蔽接地 為了防止由電路之間的寄生電容產(chǎn)生的相互干擾，必須進(jìn)行隔離和屏蔽，用于隔離和屏蔽的金屬必須接地。

濾波器接地 濾波器中一般都包含信號(hào)線(xiàn)或電源線(xiàn)到地的旁路電容，當(dāng)濾波器不接地時(shí)，這些電容就處于懸浮狀態(tài)，起不到旁路的作用。

噪聲和干擾抑制 對(duì)內(nèi)部噪聲和外部干擾的控制，應(yīng)將設(shè)備或系統(tǒng)上的某些點(diǎn)與地相連，從而為干擾信號(hào)提供“最低阻抗”通道。

電路參考 電路之間信號(hào)要正確傳輸，必須有一個(gè)公共電位參考點(diǎn)，這個(gè)公共電位參考點(diǎn)就是地。因此所有互相連接的電路必須接地。

一般在設(shè)計(jì)要求時(shí)僅明確安全和雷電防護(hù)接地的要求，其他均隱含在用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備的電磁兼容要求中。

2.1.2 設(shè)備的信號(hào)接地

設(shè)備的信號(hào)接地，是以設(shè)備中某一點(diǎn)或一塊金屬薄板來(lái)作為信號(hào)的接地參考點(diǎn)，它為設(shè)備中的所有信號(hào)提供了一個(gè)公共參考電位。

實(shí)際應(yīng)用中有幾種基本的信號(hào)接地方式，即浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。

(1) 浮地

采用浮地的目的是將設(shè)備與公共接地系統(tǒng)，或可能引起環(huán)流的公共導(dǎo)線(xiàn)隔離開(kāi)。

浮地的最大優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性能好。缺點(diǎn)是由于設(shè)備不與公共地相連，容易在兩者間造成靜電積累，當(dāng)電荷積累到一定程度后，在設(shè)備地與公共地之間的電位差可能引起劇烈的靜電放電，而成為破壞性很強(qiáng)的干擾源。一個(gè)折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個(gè)阻值很大的泄放電阻，用以釋放所積聚的電荷。實(shí)現(xiàn)設(shè)備的浮地可采用變壓器隔離或光電隔離。

(2) 單點(diǎn)接地

單點(diǎn)接地是指在一個(gè)電路或設(shè)備中只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)，凡需要接地的點(diǎn)都被接至這一點(diǎn)，如圖3所示。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)，如采用單點(diǎn)接地，則系統(tǒng)中的每個(gè)設(shè)備都有自己的單點(diǎn)接地點(diǎn)，然后各設(shè)備的“地”再與系統(tǒng)中惟一指定的參考接地點(diǎn)相連。

單點(diǎn)接地的缺點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)工作頻率很高時(shí)，以致信號(hào)的波長(zhǎng)可與接地線(xiàn)長(zhǎng)度相比擬時(shí)(如達(dá)到1/4波長(zhǎng))，接地線(xiàn)就不能作為一根普通連接線(xiàn)考慮，它會(huì)呈現(xiàn)某種電抗效應(yīng)，使接地效果不理想，此時(shí)可以采用多點(diǎn)接地的方法。

圖3 單點(diǎn)接地示意圖

(3) 多點(diǎn)接地

多點(diǎn)接地指設(shè)備中凡需要接地的點(diǎn)都直接接到距它最近的接地平面上，以便使接地線(xiàn)最短，如圖4所示。這里說(shuō)的接地平面可以是設(shè)備的底板、專(zhuān)用接地母線(xiàn)，甚至是設(shè)備的機(jī)架。

多點(diǎn)接地的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，凡需要接地的點(diǎn)都可以就近接地，由于接地電感的減小，使地線(xiàn)上的高頻噪聲大為減少。所以多點(diǎn)接地在高頻下使用效果更佳。

圖4 多點(diǎn)接地示意圖

單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地的分界常以流通信號(hào)波長(zhǎng)λ的0.05倍為界，凡單點(diǎn)接地線(xiàn)長(zhǎng)度達(dá)到0.05λ以上時(shí)，就應(yīng)當(dāng)用多點(diǎn)接地。

2.1.3 設(shè)備的接大地

(1) 設(shè)備的接大地

實(shí)際應(yīng)用中，除認(rèn)真考慮設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)接地外，通常還要將設(shè)備的信號(hào)地、機(jī)殼與大地連在一起，并以大地作為設(shè)備的接地參考點(diǎn)。設(shè)備接大地的目的有三個(gè)：

① 設(shè)備的安全接地，保證了操作人員的安全；

② 釋放機(jī)箱上所積聚的電荷，避免因電荷積聚使機(jī)箱電位升高，造成電路工作的不穩(wěn)定；

③ 避免設(shè)備在外界電磁環(huán)境的干擾下造成設(shè)備對(duì)大地的電位發(fā)生變化，引起設(shè)備工作的不穩(wěn)定。

如能將接地與屏蔽、濾波等技術(shù)配合使用，對(duì)提高設(shè)備的電磁兼容性可起到事半功倍的作用。

(2) 接大地的方法與接地電阻

判斷接大地有效性的重要指標(biāo)是接地電阻。接地電阻除與接地電極的制作方式有關(guān)外，也和大地自身的性質(zhì)有關(guān)。

正確的接大地方法是用直徑1～2 cm的銅棒(長(zhǎng)2～4 m)打入地下，深度在2 m以上。一根銅棒的接地電阻在25 Ω左右，這對(duì)一些小功率電氣設(shè)備已經(jīng)夠用。若要達(dá)到更小的接地電阻，可增加銅棒附近地域的鹽分和水分，還可將幾根銅棒互連成網(wǎng)。一般接地電阻以10 Ω為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.2 屏蔽

用金屬材料將設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生噪聲的區(qū)域封閉起來(lái)的方法稱(chēng)為屏蔽。屏蔽能有效抑制通過(guò)空間傳播的電磁干擾。采用屏蔽的目的有兩個(gè)：一是限制設(shè)備內(nèi)部的輻射電磁能越出某一區(qū)域；二是防止外部的輻射電磁能進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部。

按屏蔽所起的作用可分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽三種。

2.2.1 電場(chǎng)屏蔽

電場(chǎng)屏蔽就是用導(dǎo)體將噪聲源(或被屏蔽物體)包圍起來(lái)，然后接地，以達(dá)到屏蔽的目的。由于導(dǎo)體表面的反射損耗很大，很薄的材料(鋁箔、銅箔)也有很好的屏蔽效果。另外，機(jī)箱上即使有縫隙，也不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。

2.2.2 磁場(chǎng)屏蔽

磁場(chǎng)屏蔽通常是指對(duì)直流或低頻磁場(chǎng)的屏蔽，其屏蔽效果比電場(chǎng)的屏蔽要困難得多。

磁場(chǎng)屏蔽的主要原理是利用屏蔽體的高導(dǎo)磁率、低磁阻特性對(duì)磁通所起的磁分路作用，使屏蔽體內(nèi)部的磁場(chǎng)大大削弱。當(dāng)要屏蔽外部強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，要求外層屏蔽體選用不易磁飽和的材料，如硅鋼等；內(nèi)層則用容易達(dá)到飽和的高導(dǎo)磁材料。反之，屏蔽體的材料使用次序也需顛倒過(guò)來(lái)。兩層屏蔽體在安裝時(shí)要注意彼此間的磁路絕緣。若屏蔽體無(wú)接地要求，可用絕緣材料作支撐；如要求接地，可用非鐵磁材料的金屬作支撐。

2.2.3 電磁場(chǎng)屏蔽

電磁場(chǎng)屏蔽的目的是要阻止電磁場(chǎng)在空間傳播。

電磁場(chǎng)屏蔽可采用如下方法：

反射 金屬表面對(duì)電磁波的反射作用。

吸收 電磁波在進(jìn)入屏蔽體內(nèi)部時(shí)，會(huì)被屏蔽體金屬所吸收。

反射和吸收 電磁波透過(guò)金屬到達(dá)屏蔽體另一表層時(shí)，在金屬與空氣交界面上會(huì)再次形成反射，重返屏蔽體內(nèi)部，結(jié)果在屏蔽體內(nèi)部形成多次反射和吸收現(xiàn)象(當(dāng)然最終還會(huì)有少量電磁波透過(guò)屏蔽體而進(jìn)入被保護(hù)空間)。

因此，電磁屏蔽是基于金屬材料對(duì)電磁波的反射和吸收兩個(gè)作用來(lái)完成的。

2.3 濾波

針對(duì)不同的干擾，應(yīng)采取不同的抑制方法和器件，下面對(duì)不同的抑制器件分別作簡(jiǎn)要敘述。

2.3.1 專(zhuān)用供電線(xiàn)路

只要通過(guò)對(duì)供電線(xiàn)路進(jìn)行簡(jiǎn)單處理就可以獲得一定的干擾抑制效果。例如在三相供電系統(tǒng)中把一相作為干擾敏感設(shè)備的供電電源；把另一相作為外部設(shè)備的供電電源；再把第三相作為常用測(cè)試儀器或其他輔助設(shè)備的供電電源。這樣可減少設(shè)備之間的相互干擾，同時(shí)也有利于三相平衡。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，由于配電線(xiàn)路中非線(xiàn)性負(fù)載的使用，造成線(xiàn)路中諧波電流的存在，而諧波分量在中線(xiàn)里不能相互抵消，而是疊加，因此盡量采用較粗的中線(xiàn)，以減小線(xiàn)路阻抗，降低干擾。

2.3.2 瞬變干擾抑制器件

瞬變干擾抑制器件包括氣體放電管、金屬氧化物壓敏電阻、硅瞬變吸收二極管和固體放電管等多種。其中金屬氧化物壓敏電阻和硅瞬變吸收二極管的工作原理與普通的穩(wěn)壓管類(lèi)似，是箝位型的干擾吸收器件；而氣體放電管和固體放電管是能量轉(zhuǎn)移型干擾吸收器件。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文是在電磁兼容理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)和實(shí)際工程應(yīng)用中積累的一些經(jīng)驗(yàn)，是工程實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，所提出的一些觀(guān)點(diǎn)，難免有一些不完善之處，懇請(qǐng)各位同行批評(píng)指正。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文