电磁兼容的概念和设计方法及实例介绍

来源:百度文库 作者:coxfox2017年02月25日 09:20
[导读] 电和磁是互相关联的。每一台电子设备都不可避免电磁兼容问题。

  电和磁是互相关联的。每一台电子设备都不可避免电磁兼容问题。因此,为了使电子设备可靠运行,必须研究电磁兼容技术。以实例说明了电磁兼容的思路和设计方法。通过对电磁干扰源的明确认识,对电磁干扰引入路径的清楚了解,针对电磁干扰敏感的接收电路进行重点保护。

  1 引言

  1822年安培提出了一切磁现象的根源是电流的假说。1831年法拉第发现变化的磁场在导线中产生感应电动势的规律。1864年麦克斯韦全面论述了电和磁的相互作用,提出了位移电流的理论,总结出麦克斯韦方程,预言电磁波的存在,麦克斯韦的电磁场理论是研究电磁兼容的理论基础。1881年英国科学家希维赛德发表了“论干扰”的文章,标志着电磁兼容性研究的开端。

  1888年德国科学家赫兹首创了天线,第一次把电磁波辐射到自由空间,同时又成功地接收到电磁波。从此开始了电磁兼容性的实验研究。

  1889年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题,使电磁兼容性研究开始走向工程化。1944年德国电气工程师协会制订了世界上第一个电磁兼容性规范VDE0878,1945年美国颁布了第一个电磁兼容性军用规范JAN-I-225。

  我国从1983年开始也陆续颁布了一系列有关电磁兼容性规范。

  虽然电磁干扰问题由来已久,但电磁兼容这个新兴的综合性学科却是近代形成的。主要研究和应用的内容包括:电磁兼容性标准和规范;分析和预测;设计;实验测量;开发屏蔽材料;培训教育和管理等。

  2 电磁兼容的重要性

  2.1 为了电子设备工作的可靠性

  电磁兼容性是指电子设备在电磁环境中正常工作的能力。电磁干扰是对电子设备工作性能有害的电磁变化现象。电磁干扰不仅影响电子设备的正常工作,甚至造成电子设备中的某些元器件损害。因此,对电子设备的电磁兼容技术要给予充分的重视。既要注意电子设备不受周围电磁干扰而能正常工作,又要注意电子设备本身不对周围其它设备产生电磁干扰,影响其它设备正常运行。

  2.2 为了电子设备的国际接轨

  近来,电磁兼容性已由事后处理发展到预先分析、预测和设计。电磁兼容已成为现代工程设计中的重要组成部分。电磁兼容性达标认证已由一个国家范围向全球地区发展,使电磁兼容性与安全性、环境适应性处于同等重要地位。

  例如,欧共体将产品的电磁兼容性要求纳入技术法规,强制执行89/336/EEC指令,规定从1996年1月1日起电气和电子产品必须符合电磁兼容性要求,并加贴CE标志后才能在市场销售。

  为了与国际接轨,我国外经部和国家出入境检验局于1999年1月起对个人计算机、显示器、打印机、开关电源、电视机和音响设备实施电磁兼容性强制检测。国家技术监督局规定从2002年10月起陆续对声音和电视广播设备、信息技术设备、家用电器、电动工具、电源、照明电器、电点火驱动装置、金融结算电子设备、安防电子产品和低压电器实施电磁兼容性强制性认证。

  2.3 为了人身和某些特殊材料的安全

  电磁波通过与电爆装置的控制电路感应耦合,形成的干扰电流可能引起电爆装置的爆炸。因此GJB786中规定,电引爆器导线上的电磁干扰感应电流和电压必须小于最大不发火电流和电压的15%。另外,各种燃油在强电磁场的作用下(直接照射、电火花、静电放电)有发生燃烧和爆炸的危险;电磁能量通过对人体组织的物理化学作用会产生有害的生理效应。因此,为了人身和某些特殊材料的安全,GJB786中还规定,电子设备的电磁辐射量连续波的平均功率密度不允许超4mW/cm2,脉冲波的平均功率密度不允许超过2mW/cm2。

  2.4 为了当今和未来战争的需要

  核爆炸时产生的电磁脉冲,以光速向外辐射传播,其电场强度可达105V/m,磁场强度可达260A/m,脉冲宽度为20ns量级,电磁脉冲峰值处频率为105Hz。这种电磁脉冲作用于电子设备时,轻者造成电子设备性能恶化,重者造成电路元器件损坏。

  特别是在当今和未来战争中,已经应用的电磁脉冲弹和正在研制的高功率微波武器都具有类似核爆炸时产生的电磁脉冲辐射,将对电子设备构成致命威胁。而电磁兼容可以为对抗这种威胁提供基本技术指导。

  3 电磁兼容的设计思路

  为了提高电子设备的电磁兼容能力,必须从开始设计时就给予电磁兼容性以足够的重视。电磁兼容的设计思路可以从电磁兼容的三要素,即电磁干扰源、电磁干扰可能传播的路径及易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件入手。也就是

  1)首先,要充分分析电子设备可能存在的电磁干扰源及其性质,尽量消除或降低电磁干扰源的参数。

  2)其次,要充分了解电磁干扰可能传播的路径,尽量切断其路径,或降低与电磁干扰耦合的能力。

  3)最后,要充分认识易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件,尽量杜绝其接收电磁干扰的可能性。

  据此,在设计时应采取相应对策,消除或部分消除可能出现的电磁干扰,以减轻调试工作的压力。在调试中,针对具体出现的电磁干扰,以及接收电磁干扰的电路和元器件的表现进行分析,以确定电磁干扰源所在及电磁干扰可能传播的路径,再采取相应的解决办法。

  4 电磁兼容的具体实例

  4.1 对电磁干扰源要有明确的认识

  例如,某探测设备在探测元件无输入信号时,其放大器输出端的干扰信号峰峰值为50.8mV,远远超过该探测设备输出端最小探测信号电压峰峰值4.0mV的要求,致使整个设备无法正常工作。

  该台探测设备的驱动电源采用直流斩波式方波交流电源,驱动螺线管电磁铁往复运动,由上可见,驱动电源的负载为感性的电磁线圈。对感性的电磁线圈采用直流斩波式方波交流电源供电,在斩波时将产生严重的电磁干扰。因为感性的电磁线圈中的电流变化必然产生感应电动势,电流变化越快,产生的感应电动势越大。这种感应电动势将会通过某种路径传导耦合到放大器的输出级,而成为严重的电磁干扰。

  该台探测设备的驱动电源采用线性纯正弦波电源时,在探测元件无输入信号时,在放大器输出端最大探测信号电压峰峰值仅为4.4mV。而具有随机性质的噪声电压,其峰峰值最大为3.0mV。说明原来的干扰信号已被极大地消除。 从该项工作中,使我们体会到电磁干扰的严重性,对电磁干扰的认识仅停留在一般的水平上、泛泛地、全面地采取各种抗干扰措施也不一定见效,必须抓住主要矛盾。

  再举一例,某电子设备,当打开电源开关时,其测量显示呈紊乱状态。究其原因,正是在电源开关时刻,电路由一种稳态转换到另一种稳态的过渡过程中,所出现的过电压、过电流所致。为此,采用一定容量和电压的氧化锌压敏电阻并联在电源上,便收到了较好的效果。这也说明对电磁干扰源有明确认识时,才能有的放矢地采取抗干扰措施,效果明显。

  4.2 对电磁干扰可能的传播路径要有清楚了解

  在核聚变科学研究中,将巨大的微波能耦合到等离子体中去,以提高核聚变物理参数。为此,需要高能大功率发射系统。其主电源脉冲电压达20kV,最大脉冲宽度30ms,最高脉冲功率2400kW。该电源通过电感储能,直流开断,脉冲整形等一系列环节,由微机控制来实现。

  调试过程中,当电压达数kV时,系统便无法正常运行。轻则控制程序出错,重则程序全部被冲掉,更严重时微机芯片被烧损。由于对电磁干扰认识肤浅,盲目地采取各种措施,如重新布线,改善接地,增加电磁屏蔽和隔离等等,忙了几个月均不能根本解决问题,挫折迫使我们冷静了下来。在进行了科学分析后,认定必须要对幅度高达数kV,前后沿很陡的这一电磁干扰源有清楚了解,并对其可能传播的路径采取加强隔离措施。在对光电隔离器采用双重设计后,微机能稳定、可靠地工作了。

  再举一例,在激光电源低功率调试中发现应交替导通的两个逆变开关IGBT的触发信号存在重迭现象,即有互相干扰。如果不消除这种干扰,可能发生主电路直通故障。基于以前积累的对电磁干扰可能的传播路径要有明确认识的工作经验,我们从逆变开关IGBT的触发端倒推,一级一级地检测触发信号,直到产生触发信号的TL494集成电路的两个输出端,发现这两个输出端的引线距离很近,且平行布线很远。通过分析表明,这种情况容易产生电容性耦合干扰,干扰的强弱与工作频率及两条引线之间的分布电容量有关。当我们将其中一条引线切断,用一条拉开很远距离的临时导线代用后,两个逆变开关IGBT的触发信号不再发生重迭现象了。

  从该项工作中,使我们体会到对电磁干扰可能传播的路径有明确的认识,才能顺利地排除电磁干扰。否则将无从下手解决存在的电磁干扰问题。

  4.3 对易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件要进行重点保护

  还是上述的第一个例子中,某探测设备在探测元件无输入信号时放大器输出端的干扰信号远远超过最小探测信号电压值,致使整个设备无法正常工作。

  经过认真分析和实际测试,除了对电磁干扰源缺乏明确的认识和电磁干扰可能传播的路径缺乏清楚了解外,对易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件也缺乏重点保护。为此对易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件——传感器输入电路和前级放大电路主要采取两项电磁兼容性措施:

  1)信号接地信号接地的主要目的是为了抑制电磁干扰,应当特别注意低电平电路、信号检测电路、传感器输入电路和前级放大电路的接地。

  该探测设备的传感器输入电路、前级放大电路和末级放大电路的接地应该只设一个接地点,因为多个接地点会引入共地阻抗的干扰。而这个接地点的位置应当选择在保证地线中的电流流向为从小信号电路流向大信号电路,从而避免大信号电路的地线电流对小信号电路产生干扰。

  2)屏蔽加强该探测设备的传感器输入电路和前级放大电路电磁屏蔽,并注意屏蔽的完整性和良好的接地措施。

  电磁屏蔽设计时,一般采用电导率高的材料作屏蔽体,并将屏蔽体接地。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰,又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大,应以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。另外要注意屏蔽的完整性,如果屏蔽体不完整,将导致电磁场泄漏。

  5 电磁兼容的设计方法

  5.1 对电磁干扰源的设计方法

  电磁干扰源的种类相当繁多,比如,自然的电磁干扰源包括:地球表面的最大磁场强度为52A/m、平均电场强度为130V/m,雷电的大气干扰,静电的电晕放电和宇宙噪声等等。人为的电磁干扰源包括:含有整流子的直流电机换向时产生的电弧和电流变化、电器开关动作时产生的电弧和电流变化,非线性元器件工作时产生的谐波,高频振荡器和无线电发送设备的电磁辐射,汽车点火系统,医疗用的超声波发生器,生活用的微波炉以及电磁脉冲等等。可以说电磁干扰源无处不在,下面仅讨论与我们相关的主要电磁干扰源。

  5.1.1 供电电源

  供电电源,常由于负载的通断过渡过程、半导体元器件的非线性,脉冲设备及雷电的耦合等因素,而成为电磁干扰源。

  供电电源电磁兼容的设计方法为

  1)采用交流电源滤波器

  由于交流电源滤波器是低通滤波器,不妨碍工频电能的通过,而对高频电磁干扰呈高阻态,有较强的抑制能力。使用交流电源滤波器时,应根据其两端阻抗和要求的插入衰减系数选择滤波器的型式。要注意其承受电压和导通电流的能力,屏蔽与机壳要电气接触良好,地线要尽量短、截面足够大,进出线要远离,而且滤波器应尽量靠近供电电源。

  2)交流电源变压器加静电屏蔽

  由于电源变压器初、次级间存在分布电容,进入电源变压器初级的高频干扰能通过分布电容耦合到电源变压器的次级。在电源变压器初、次级间增加静电屏蔽后,该屏蔽与绕组间形成新的分布电容。将屏蔽接地,可以将高频干扰通过这一新的分布电容引入地,从而起到抗电磁干扰的作用。静电屏蔽应选择导电性好的材料,且首尾端不可闭合,以免造成短路。

  3)脉冲电压的吸收

  对脉冲电压的电磁干扰可以采用压敏电阻、固体放电管或瞬态电压抑制二极管来吸收。当脉冲电压吸收器件承受一个高能量的瞬态过电压脉冲时,其工作阻抗能立即降到很低,允许通过很大的电流,吸收很大的功率,从而将电压箝制在允许的水平内。

  压敏电阻或固体放电管可应用于直流或交流电路。单向瞬态电压抑制二极管应用于直流电路,而双向瞬态电压抑制二极管应用于交流电路。使用脉冲电压的吸收器件时,应选择其额定电压略高于设备的最大工作电压,以保证无脉冲电压时,吸收器件的功耗最少;当有脉冲电压时,其箝位的电压应低于设备的最高绝缘电压,以保证设备的安全;其通流能力应大于脉冲电压所产生的电流。

  4)直流电源的电磁兼容措施

  ——整流电路的高频滤波即在整流管上并联小电容(0.01μF)进一步滤掉从变压器进入的高频干扰。

  ——直流退耦即在直流电源和地之间并联2个电容,大电容(10~100μF)滤掉低频干扰,小电容(0.01~0.22μF)滤掉高频干扰。

  5)电源的其它电磁兼容措施

  ——控制电路和功率电路采用分相供电或采用不同的电源供电;

  ——采用UPS(不间断电源)供电;

  ——采用电源电压监视集成电路。

  5.1.2 暂态过程

  暂态过程是由于电路机械触点的分合,负载的通断和电路的快速切换等导致电路电压或电流发生快速变化,而成为电磁干扰源。

  暂态过程的电磁兼容设计方法为

  1)电路机械触点的熄火花电路

  电路机械触点的熄火花电路由电阻(R)和电容(C)串联组成。其原理是用电容转换触点分断时负载电感(L)上的能量,从而避免在触点上产生过电压和电弧造成的电磁干扰,最终由电阻吸收这部分能量。

  电路参数计算如下:

  R》2(L/C)1/2 (Ω) (1)

  C1=4L/R2 (μF) (2)

  C2=(Im/300)2L (μF) (3)

  式中:R为电阻(Ω);

  L为负载电感(μH);

  Im为负载电感中的最大电流(A);

  C取C1、C2中大者

  2)电感负载的续流电路和吸收电路

  直流电路电感负载的续流电路是用二极管反并联在电感负载上。当切断电感负载时,其上的电流经二极管续流,不会产生过电压而危及电路上的其它器件。

  参数选择如下:

  IF》2IN (4)

  VRRM》2VN (5)

  式中:IF为二极管正向平均电流;

  VRRM为二极管反向重复峰值电压;

  IN为电感负载的额定电流;

  VN为电感负载的额定电压。

  如果用压敏电阻代替二极管,其效果会更好。因为压敏电阻吸收能量更快,从而减小了动作响应时间。另外,压敏电阻还可应用在交流电路电感负载的场合。应用压敏电阻时应当注意以下几点:

  ——压敏电阻的标称电压;

  ——压敏电阻的压比;

  ——压敏电阻的吸收能量能力;

  ——压敏电阻的前沿响应时间;

  ——压敏电阻应当尽量紧靠电感使用。

  3)电容负载的限流电路

  电容负载的限流电路由电阻(R)和开关并联组成。其原理是用电阻限制电容负载开始投入时的短路电流,从而避免短路电流造成的电磁干扰。经过时间(t)将开关闭合,切除限流电阻。

  参数选择如下:

  R》2VN/IN (6)

  t》3RC (7)

  式中:IN为负载的额定电流;

  VN为电源的额定电压;

  C为负载的电容。

  4)电路快速切换的电磁兼容措施

  电路快速切换(包括晶闸管换流、直流斩波、二极管关断时的电荷存储效应等)将导致电压或电流的快速变化,而成为电磁干扰源。

  对此可采用如下电磁兼容措施

  ——串联缓冲电感,以降低电流变化率;

  ——并联缓冲电容,以降低电压变化率;

  ——用电感电容谐振电路代替直流斩波,以降低电流变化率或电压变化率。

  5.1.3 电磁辐射

  电磁辐射包括电子设备内部和外部两种电磁辐射源。其实任一电流的周围都存在磁场,而变化的磁场会产生变化的电场,这种电磁场就是电磁干扰源。

  电子设备中主要的电磁辐射源是大电流、高电压的强功率电路和器件,电压或电流快速变化的电路和器件以及高频电路和器件。

  对电磁辐射的电磁兼容设计是,采用电磁屏蔽的方法,即用屏蔽材料将电磁辐射源封闭起来,使其外部电磁场强低于允许值。

  电磁屏蔽的技术原理主要有两种:

  一是反射,由于空气和金属屏蔽的电磁阻抗不同,使入射电磁电波产生反射作用。磁场中的反射损耗R(dB),对磁场源而言

  R=20log10{[0.012(μr/fσr)1/2/D]+5.364D(fσr/μr)1/2+0.354} (8)

  式中:μr为相对磁导率;

  σr为相对电导率;

  f为电磁波频率(Hz);

  D为辐射源到屏蔽体的距离(m)。

  对电场源而言

  R=322+10log10(σr/μrf3D2) (9)

  二是吸收,进入金属屏蔽内的电磁波在金属屏蔽内传播时,由于衰减而产生吸收作用。吸收损耗A(dB)为

  A=0.131d(μrfσr)1/2 (10)

  式中:d为屏蔽材料厚度(mm)。

  1)磁场屏蔽一般采用磁导率高的材料作屏蔽体,它给低频磁通提供一个闭合回路,并使其限制在屏蔽体内。屏蔽体的磁导率越高,厚度越大,磁阻越小,磁场屏蔽的效果越好。当然屏蔽的设计要与设备的重量相协调。在杂散耦合可能引起有害作用的电路中,应选用带有屏蔽的电感器和继电器,并将屏蔽有效地接地。

  2)电场屏蔽一般采用电导率高的材料作屏蔽体,并将屏蔽体接地,使电力线在此终止,因而电场不会泄漏到屏蔽体外部。电场屏蔽以反射为主,因此屏蔽体的厚度不必过大,而以结构强度为主要考虑因素。

  3)电磁场屏蔽一般采用电导率高的材料作屏蔽体,并将屏蔽体接地。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰,又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大,而以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。

  应当特别注意电磁屏蔽的完整性,特别是电磁场屏蔽,因为它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场干扰的。如果屏蔽体不完整,则涡流的效果降低,导致电磁场泄漏,屏蔽的效果将大打折扣。

  5.1.4 雷电

  雷电是带电云对地或带电云之间的放电现象。带电云对地放电为直接雷击,而非直接雷击时设备所受到的干扰为感应雷击。由于雷电具有非常大的能量和非常短的持续时间,因此雷电是非常强的干扰源。

  雷电的电磁兼容的设计方法是

  1)对直接雷击采用的设计方法采用接闪器、避雷引线和避雷接地组成的避雷系统。将直接雷击的能量引入大地,以保护电子设备。

  2)对感应雷击采用的设计方法采用气体避雷管、压敏电阻、电压瞬变吸收二极管或固体放电管。利用其非线性特性,对感应雷击的高电压尖峰削波和能量吸收,以保护电子设备。

  5.1.5 静电

  当不同介质的材料相互摩擦时,会发生电荷转移而产生静电。当然静电也可能以其它的方式产生,比如受到其它带电体的感应。静电场强的高低取决于材料所携带的电荷量多少和对地电容的大小。当这种材料对电子设备的场强超过绝缘介质的击穿强度时,会发生电晕放电或火花放电,形成静电干扰,可能导致电子设备损坏。

  防静电的电磁兼容的设计方法是

  ——防止静电的产生,例如阻止静电荷的积累、泄放积累的静电荷,采用防静电地板和静电消除器等等。

  ——采用静电屏蔽和接地措施,将静电产生的电荷引走。

  ——采用耐静电电压值高的器件。

  ——采用静电保护措施,例如增加串联电阻以降低静电放电电流,增加并联元件以把静电放电电流引走,对静电作用下易损器件的操作防护和软件的静电防护等等。

  5.1.6 无线电发射源

  无线电发射机的频率范围为103~1012Hz。

  无线电发射机的有效辐射功率(ERP)很高。例如,军用雷达10GW,气象雷达1GW,船用雷达100MW,电视广播50MW,商用电台300kW,广播电台100kW,业余通讯1kW,车用通讯100W。

  因此,无线电发射源对电子设备是一很强的干扰源。

  对无线电发射源的电磁兼容的设计方法是

  ——严格控制无线电发射的方位角度,以减少无线电发射源干扰的空间范围。

  ——采用完整的电磁屏蔽和可靠的接地措施,以减少无线电发射源的泄漏干扰。

  5.2 对电磁干扰可能传播的路径的设计方法

  5.2.1 电路性耦合

  当两个电路存在公共阻抗时,一个电路的电参数通过公共阻抗对另一个电路的电参数产生了影响。而这种影响造成误动作时,即为通过电路性耦合的路径产生的电磁干扰。公共阻抗主要有共回路导线、共地阻抗和共电源内阻。

  电路性耦合的电磁兼容设计方法是

  1)对共电源内阻产生的电磁干扰,可以用不同的电源分别供电的方法,以去除共电源内阻产生的电路性耦合。

  2)对共回路导线产生的电磁干扰,可以用对导线阻抗加以限制或去耦的方法,以减低共回路导线产生的电路性耦合。共回路导线的阻抗包括电阻和电感。

  ——限制电阻的方法增大共回路导线的截面、减小共回路导线的长度和降低接触电阻;

  ——限制电感的方法减小共回路导线的长度和来回线的距离;

  ——电路去耦的方法去掉共回路导线,而将不同的回路仅在一点连接。

  3)对共地阻抗产生的电磁干扰,可以用降低共地阻抗的方法,以去除共地阻抗产生的电路性耦合。

  ——接地的种类和作用

  电子设备一般有两种接地。一种是安全接地,即将机壳接地,当机壳带电时,电源的保护动作,切断电源,以保护工作人员的安全;另一种是工作接地,给电路系统提供一个基准电位,同时也可将高频干扰引走。但是,不正确的工作接地反而会增加干扰,比如共地线干扰,地环路干扰等等。

  工作接地按工作频率采用不同的接地方式。工作频率低的(小于1MHz)采用单点接地式,即把整个电路系统中的一个结构点看作接地参考点,所有对地连接都接到这一点上,并设置一个安全接地螺栓;工作频率高的(大于30MHz)采用多点接地式,即在该电路系统里,用一块接地平板代替电路中每部分各自的地回路。其主要原因是接地引线的感抗与频率和长度成正比,工作频率高时将增加共地阻抗,从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰。工作频率在上述两者之间的可采用混合接地式。

  此外,还有一种浮地式,即该电路的地与大地无导体连接。其优点是该电路不受大地电性能的影响。其缺点是该电路易受寄生电容的影响,而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰。

  ——对接地电阻的要求

  接地电阻越小越好。因为当有电流流过接地电阻时,其上产生的电压,将产生共地阻抗的电磁干扰。另外,该电压不仅使设备受到反击过电压的影响,而且使操作人员受到电击伤害的威胁。因此,一般要求接地电阻小于4Ω。

  接地电阻由接地线电阻、接触电阻和地电阻组成。为此降低接地电阻的方法有以下三种:

  一是降低接地线电阻,为此要用总截面大和长度小的多股细导线。

  二是降低接触电阻,为此要将接地线与接地螺栓和接地极作紧密又牢靠地连接,并要增加接地极和土壤之间的面积与接触的紧密度。

  三是降低地电阻,为此要增加接地极的表面积和增加土壤的电导率(如在土壤中注入盐水)。

  ——低频电路地

  工作频率低于1MHz的一个电路采用单点接地式,以防两点接地产生共地阻抗的电路性耦合。多个电路的单点接地式又分为串联和并联两种,由于串联接地产生共地阻抗的电路性耦合,所以低频电路最好采用并联的单点接地式。

  为防止工频和其它杂散电流在信号地线上产生干扰,信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘。且只在功率地、机壳地和接往大地的接地线的安全接地螺栓上相连(浮地式除外)。

  地线的长度(L/m)与截面积(S/mm2)的关系为

  S》0.83L (11)

  ——高频电路地

  工作频率高于30MHz的电路采用多点接地式。因为接地引线感抗与频率和长度成正比,所以地线的长度要尽量短。多点接地时,尽量找最接近的低阻值接地面接地。

  ——混合接地式

  工作频率介于1~30MHz的电路采用混合接地式。当接地线的长度小于工作信号波长的1/20时,采用单点接地式,否则采用多点接地式。

  ——屏蔽地

  电路的屏蔽体,即用屏蔽材料将电磁辐射源屏蔽起来,并将屏蔽体接地,以降低电磁辐射的干扰。屏蔽体内的电路地线只能一点接屏蔽体,而不得利用屏蔽体作返回导体。

  ——电缆的屏蔽层

  对于多层屏蔽电缆,每个屏蔽层应在一点接地,各屏蔽层应相互绝缘。

  当电缆长度大于工作信号波长的0.15倍时,采用间隔工作信号波长的0.15倍的多点接地式。如果不能实现,则至少应将屏蔽层两端接地。

  4)电位隔离

  电位隔离分为机械、电磁、光电和浮地几种隔离方式,其实质是人为地造成电的隔离,以阻止电路性耦合产生的电磁干扰。

  ——机械隔离采用继电器来实现其线圈接收信号,机械触点发送信号。机械触点分断时,由于阻抗很大、电容很小,从而阻止了电路性耦合产生的电磁干扰。缺点是线圈工作频率低,不适合于工作频率较高的场合使用。而且存在触点通断时的弹跳和干扰以及接触电阻等。

  ——电磁隔离采用变压器来实现通过变压器传递电信号,阻止了电路性耦合产生的电磁干扰。对于交流的场合使用较为方便,由于变压器绕组间分布电容较大,所以使用时应当与屏蔽和接地相配合。

  ——光电隔离采用光电耦合器来实现通过半导体发光二极管(LED)的光发射和光敏半导体(光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等)的光接收,来实现信号的传递。光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小,因此分压在光电耦合器输入端的干扰电压较小,而且一般干扰源的内阻较大,它所能提供的电流并不大,因此不能使发光二极管发光。光电耦合器的外壳是密封的,它不受外部光的影响。光电耦合器的隔离电阻很大(约1012Ω),隔离电容很小(约数pF)能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。只是光电耦合器的隔离阻抗随着频率的提高而降低,抗干扰效果也将降低。

  ——浮地浮地可使功率地(强电地)和信号地(弱电地)之间的隔离电阻很大,所以能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。

  5.2.2 电容性耦合

  任何两个导体之间都存在着电容。电容值与介质的介电常数ε和两个导体的有效面积成正比、与两个导体之间的距离D成反比。当两个平行圆导体直径为d时,其电容C为

  C=πε/ln(D/d) (12)

  当一个导体对地具有电位U1,阻抗Z1,另一个导体对地具有阻抗Z2,两个导体具有相同地电位,通过两个导体之间的电容,在另一个导体上将产生干扰电压U2为

  U2=U1Z2/(Z1+Z2+1/jωC) (13)

  当阻抗Z1和阻抗Z2中含有电感分量时,产生的干扰电压U2有可能大于导体1对地的电位U1。

  电容性耦合的等值电路图见图1。

  图 1 电 容 性 耦 合 的 等 值 电 路 图

  在上述分析中,两导线间的有效耦合长度应远小于信号波长(一般为1/10)时,才允许使用集中参数的等效电路来分析线间耦合,否则必须应用电磁场理论的传输方程来分析线间耦合。

  电容性耦合的电磁兼容设计方法是

  1)尽可能减小干扰源U1的幅值和干扰源的变化速度ω。

  2)Z1和Z2设计得尽可能大,且Z1远大于Z2。

  3)耦合电容设计得尽可能小

  ——尽量加大两个导体间的距离;

  ——尽量缩短两个导体的长度;

  ——尽量避免两个导体平行走线。

  4)屏蔽

  屏蔽的目的切断干扰源和被干扰对象之间的电力线,以免除电容性耦合的电磁干扰。

  屏蔽的方法采用与干扰源基准电位相连的屏蔽;采用与被干扰对象基准电位相连的屏蔽;或者上述两者都用,其效果更好。

  屏蔽的注意事项

  ——要有完整的屏蔽,否则屏蔽的效果降低;

  ——要用导电性能好的材料作屏蔽,否则屏蔽的效果降低;

  ——要有良好的屏蔽接地,否则屏蔽的效果降低。当导线的长度小于工作信号波长的1/20时,采用单点接地式,否则采用多点接地式。接地线的长度要尽量短。

  5)平衡

  平衡的目的当干扰源和被干扰对象的基准电位是互相独立时,可以采用平衡的方法,即使干扰源和被干扰对象的耦合电容平衡,以免除电容性耦合的电磁干扰。

  平衡的方法

  ——干扰源和被干扰对象均采用绞合导线;

  ——采用四芯导线,使干扰源和被干扰对象的导线交叉对称。

  5.2.3 电感性耦合

  任何两个回路之间都存在着互感。互感值与介质的磁导率μ成正比,并与两个回路的几何尺寸有关。两个回路的布局如图2所示。

  图2 两 个 回 路 的 布 局 图

  图中1~1为第一个回路,2~2为第二个回路,a、b、c、d为回路的间距。另外设l为回路的长度。

  两个回路的互感M为

  M=μlln(ac/bd)/2π (14)

  当第一个回路具有电流i1,通过两个回路之间的互感M,在第二个回路上产生的干扰电压u2为

  u2=Mdi1/dt (15)

  电感性耦合的电磁兼容设计方法是

  1)尽可能减小干扰源电流i1的变化速度。

  2)尽可能设计得使两个回路的互感M小,为此

  ——尽量加大两个回路间的距离;

  ——尽量缩短两个回路的长度;

  ——尽量避免两个回路平行走线;

  ——尽量缩小两个回路的面积,并减低重合度。

  3)屏蔽

  屏蔽的目的切断干扰源和被干扰对象之间的磁力线,以免除电感性耦合的电磁干扰。

  屏蔽的方法采用铁磁性导体的静态磁屏蔽,采用良导体感应涡流的动态磁屏蔽。

  屏蔽的注意事项

  ——铁磁性导体的静态磁屏蔽适用于低频磁场。屏蔽的效果与屏蔽材料的相对磁导率μr、厚度d、几何形状以及磁场方向有关。例如横向磁场中的圆球的屏蔽系数as为

  as=20lg(1+μrd/2r) (16)

  式中:r为圆球的内径

  ——良导体感应涡流的动态磁屏蔽适用于高频磁场。屏蔽的效果与屏蔽材料的性质,几何形状,屏蔽的密闭程度以及磁场的频率有关。屏蔽系数ad可用式(17)进行近似计算

  ad=20lg(μof/2Zk) (17)

  式中:μo为真空导磁率;

  f为磁场的频率;

  Zk为耦合阻抗。

  ——网孔状的屏蔽系数与孔的面积占总面积的比例有关。

  4)平衡

  平衡的目的采用平衡的方法,可以减小或免除电感性耦合的电磁干扰。

  平衡的方法

  ——磁场去耦即使被干扰回路耦合的干扰源磁场最少。例如安排两个回路垂直放置,可达到磁场去耦的目的。

  ——磁场抵消因为干扰磁场引起的感应电流在相邻绞线回路的同一根导线上方向相反,相互抵销。为对磁场干扰取得较好的抑制效果,屏蔽双绞线的节距不可太大,即单位长度绞合数越多,磁场抵消效果越好。

  5.2.4 幅射性耦合

  幅射性耦合是电磁场通过空间耦合到被干扰对象的。如被干扰对象是两根导线,它就是接收电场的天线。天线的等值电路图见图3。

  图 3 天 线 的 等 值 电 路 图

  等值电压源U(即接收的干扰电压)为

  U=Eh (18)

  式中:E为电场强度;

  h为天线有效高度。

  内阻R为

  R=1580(h/λ)2 (19)

  式中:λ为电磁场波长。

  如被干扰对象是一环线,通过环线面积S的磁场将产生干扰电压U为

  U=BdS/dt (20)

  式中:B为磁感应强度。

  幅射性耦合的电磁兼容设计方法是

  1)采用空间分离的方法即把相互容易干扰的设备和导线尽量安排得远一些,并调整电磁场矢量方向,使接收设备耦合的干扰电磁场最低。

  2)采用时间分离的方法即使产生辐射的设备和易接收辐射的设备在不同的时间工作。

  3)采用频率分离的方法即使产生辐射的设备和易接收辐射的设备的工作频率不同。

  4)采用屏蔽的措施即用屏蔽材料将被干扰对象封闭起来,使其内部电磁场强低于允许值的一种措施。屏蔽的效果用屏蔽系数来衡量。

  5)减小天线有效高度。

  6)减少环线面积。

  5.3 对易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件的设计方法

  通常用敏感度来描述敏感设备对电磁干扰响应的程度。敏感度越高,表示对干扰作用响应的可能性越大,即抗电磁干扰的能力越差。因此,一般认为电子设备的敏感度主要取决于它的灵敏度和频带宽度。电子设备主要由模拟电路和数字电路组成。

  5.3.1 模拟电路

  模拟电路的电磁兼容设计方法是

  1)优选电路

  例如,设计低噪声电路,减少带宽,抑制干扰传输;平衡输入,抑制干扰;选用高质量电源等。

  2)采用如下几种信号滤波器

  ——低通滤波器

  当干扰信号的频带高于有用信号的频带比较远时,可采用低通滤波器来滤除干扰信号。

  RC低通滤波器的信噪比σL为

  σL={1+[SRL/(R+RL)]2}1/2 (21)

  式中:S=2πfRC;

  f为信号的频率(Hz);

  R为滤波器的电阻(Ω);

  RL为负载的电阻(Ω);

  C为滤波器的电容(F)。

  ——高通滤波器

  当干扰信号的频带低于有用信号的频带比较远时,可采用高通滤波器来滤除干扰信号。

  RC高通滤波器的信噪比σG为

  σG=[S2/(1+S2)]1/2 (22)

  式中:S=2πfRC;

  f为信号的频率(Hz);

  R为滤波器的电阻(Ω);

  C为滤波器的电容(F)。

  ——LC滤波器

  当干扰信号的频带虽高于、但接近于有用信号的频带时,可采用LC滤波器来滤除干扰信号。

  LC滤波器的信噪比σY为(当L=CRL2时)

  σY=[(1-ω2LC)2+(ωL/RL)2]1/2 (22)

  式中:ω=2πf;

  f为信号的频率(Hz);

  RL为负载的电阻(Ω);

  C为滤波器的电容(F);

  L为滤波器的电感(H)。

  ——选通滤波器

  当干扰信号的频带为不连续时,可采用选通滤波器来滤除干扰信号。

  针对不同干扰信号的频带和负载,可以应用LC选通滤波器或RC选通滤波器。其中LC选通滤波器分并联谐振式和串联谐振式两种型式。

  5.3.2 数字电路

  数字电路的电磁兼容设计方法是

  1)在工作指标许可的条件下,采用直流噪声容限高的数字电路。例如,CMOS数字电路的直流噪声容限远高于TTL数字电路的直流噪声容限。

  2)在工作指标许可的条件下,采用开关速度低的数字电路。因为开关速度越高,由它引起的电压或电流的变化越快,就越容易产生电路间的耦合干扰。

  3)提高门槛电压,可以利用在电路前设置分压器或稳压管的方法来提高门槛电压。

  4)悬空长线具有天线效应,易于接收电磁波而产生干扰,为此可用RC网络加以吸收,或作不悬空处理。

  5)采用负载阻抗匹配的措施,即使负载阻抗等于信号线的波阻抗,这样一来将会消除数字信号在传输过程中,由于折射和反射的作用而产生的畸变。比如,在测量一个方波时,如果阻抗不匹配,示波器显示的将不是一个方波,而是一种多次振荡的波形,其原因除了波形失真外,还由于方波信号的多次折射和反射。

  6 结语

  为了使电子设备可靠地运行,必须深入研究电磁兼容技术。本文用具体实例说明了电磁兼容的重要性和一些设计方法。特别注重要对电磁干扰源有明确认识,对电磁干扰引入路径有清楚了解,对电磁干扰敏感的接收电路进行重点保护。

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