电子设备干扰抑制技术

电子设备干扰抑制技术
  摘要：对电子设备产生干扰的原因及干扰抑制方法进行分析讨论，提出了使电子设备正常工作应采取的各种抑制干扰的技术措施。
  关键词：电子设备；电磁兼容；干扰
  The Interferences Suppression Technique of Electronic Equipments
  ZHOU Yun, YU Pei-yi
  Abstract:The interferences of the electronic equipmentsn technique of the interferences are analyzed and discussed.The vaious technical mearunes of the interference suppression are put forward,so the interferences are suppresed and the work of the electronic equipments are guarded.
  Keywords:Electronic equipments; Electromagnetic compatibility(EMC); Interference  
  1   引言
      任何电子设备产生的电磁干扰和响应过程，可以用辐射和传导来描述干扰发生源，可以用辐射敏感性和传导敏感性来描述响应接收设备特性，因此，所有电磁干扰的抑制方法可以从以下三个方面入手：
      ——抑制电磁干扰源；
      ——切断电磁干扰耦合途径；
      ——降低电磁敏感装置的敏感性。
      本文主要围绕这三个方面讨论提高电子设备电磁兼容性的措施，诸如选择抑制电磁干扰的电路，采用合适的工作状态；实施正确的搭接、接地、屏蔽、滤波、分层防护；采用合理分类布线等方法都能有效地抑制电磁干扰或降低敏感。各种方法在电子设备中不仅独立使用，而且相互之间又存在着关联。
      下面主要从接地、屏蔽和滤波等方面概述对干扰的抑制技术。
  2   接地
      在电子设备中接地是抑制电磁噪声和防止电磁干扰以及保护人员和设备安全的重要方法之一。要求电子设备时机座、金属外壳必须可靠地接地，这是为了保护人员和设备的安全，称为“保护接地”；另一类接地称为“屏蔽接地”，指为抑制干扰而采用的屏蔽层（体）的接地，以起到良好的抗干扰作用。
  2．1   目的
      接地的主要目的如下：
      ——保护设备和人身安全，防止雷电危害和电源故障时发生电击；
      ——泄放静电荷，以免设备内部放电造成干扰；
      ——提高电子设备电路系统工作稳定性。
  2．2   分类
  2.2.1   悬浮地
      指电子设备地线系统与接大地系统及其他导电结构物相绝缘。主要抑制来自接线的干扰，如图1所示。其优点是抗干扰性能好。缺点是电子设备容易产生静电积累。当电荷积累达到一定程度时，会产生静电放电，另外在雷电的环境下，静电感应产生的高压会在设备机箱内产生飞弧，成为破坏性很强的干扰源 ， 也 容 易 使 操 作 人 员 遭 到 电 击 。
  
图1   设 备 悬 浮 地
  2.2.2   单点接地
      指电子设备中信号电路先参考于一点，然后把该点接至设施的接大地系统，如图2所示。其优点是简单实用，地线上其它部分的电流不会耦合进电路。缺点是需要大量导体，成本较高，而且随着频率升高，接地阻抗将增大，致使接地不理想。
  
图2   设 备 单 点 接 地
      一般适用于工作频率在1MHz以下的低频设备与系统中。
  2.2.3   多点接地
      指电子设备的各电路系统地线接至最近的低阻抗地线上，使接地线最短，如图3所示。其优点是简化电子设备内的电路结构，能有效地降低接地阻抗及减少地线间的杂散电感和分布电容造成电路间的相互耦合。缺点是对接地点的要求较高。要求尽量减少接地线的杂散电感和分布电容，强调良好的连接。
      主要适用于高频电路多点接地。
  
图 3   设 备 多 点 接 地
  2.2.4   混合接地
      结合了单点接地和多点接地的特性，将设备低频部分就近单点接地，高频部分采用多点接地。
  2．3   减小地线干扰的措施
  2.3．1变压器耦合
      变压器只能传输交流信号，不能传输直流信号。因此对地线的低频干扰具有较好的抑制能力，并且电路单元间传输的信号电流只能在变压器绕组中流过，不流经地线，也可以避免对其它电路的干扰，如图4所示。
  
图 4    变 压 器 耦 合
  2．3.2   用同轴电缆传输信号
      用同轴电缆传输信号能有效抑制地环干扰。
  2．3.3   光耦合器
      光耦合器把两电路间的地环回路完全隔断，更有效地抑制了地线干扰。
  3   屏蔽
      屏蔽是提高电子系统和电子设备电磁兼容性的重要措施之一，它能有效地抑制通过空间传播的各种干扰，既可阻止或减少电子设备内部的辐射电磁能对外的传输，又可阻止或减少外部辐射电磁能对电子设备的影响。     
      屏蔽按机理可以分为：电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。
  3．1   电场屏蔽
      电子设备中所涉及的电场一般均是交变电场，这样，可把电位不同的两个单元间的电场感应看作是两者间分布电容的耦合，如图5所示。图中干扰源A的电位为UA，受感物B上的感应电压为UB，由图5可知：
  
图 5   电 场 感 应 示 意 图
      UB=C1/(C1＋C2)UA
  式中：C1——A、B间的分布电容（pF/m）
        C2——受感物B对地的分布电容（pF/m）
      由上式知，为减小电场感应，可采取以下措施：
      ——增加干扰源A与受感物B之间的距离，以减小分布电容C1；
      ——将受感物B尽可能贴近地面（即底板、地线）安装，以增大CA；
      ——在A与B之间加入金属屏蔽，作用是减小C1，如图6所示。
  
图6   金 属 板 屏 蔽
      屏蔽体必须接地，最好直接接地。对于屏蔽体的形状，最好是盒形和全封闭的，孔洞泄漏越小屏蔽效果越好。屏蔽体的厚度没有要求，但材料要求用良导体，刚度和强度保证就可以了。
  3.2   磁场屏蔽
      磁场屏蔽通常指对直流磁场或甚高频磁场的屏蔽。其屏蔽的效果比电场屏蔽和电磁场屏蔽要差得多。在工程上抑制磁场干扰是一个十分棘手的问题。
      磁场屏蔽主要是利用高磁导率、低磁阻特性的屏蔽体对磁通所起的磁分路作用，使屏蔽体内部的磁场大大减小，如图7所示。
  
图7   磁 场 屏 蔽
      磁场屏蔽设计应遵循的原则如下：
      ——磁屏蔽体应选用高磁导率的铁磁性材料，防止磁饱和；
      ——被屏蔽物与屏蔽体内壁应留有一定间隙，防止磁短路现象发生；
      ——可增加屏蔽体壁厚，单层屏蔽体壁厚不宜超过2．5mm。若单层屏蔽体的屏蔽效果不好，可采用双层屏蔽或多层屏蔽，也可防止磁饱和；
      ——应使屏蔽体的接缝与孔洞的长边平行于磁场分布的方向，圆孔的排列方向要使磁路增加量最小，目的是尽可能不阻断磁通的通过；
      ——屏蔽体加工成型后都要进行退火处理；
      ——从磁屏蔽的机理而言，屏蔽体不需接地，但为了防止电场感应，一般还是要接地。
  3．3   电磁场屏蔽
      电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播。电磁场屏蔽是靠对电磁波的反射和吸收来完成的，屏蔽效果与屏蔽体的厚度无关，这与电场屏蔽和磁场屏蔽不同。
  4   滤波
      滤波器既可抑制从电子设备引出的传导干扰，又能抑制从电网引入的传导干扰。EMI滤波器主要是用于抑制干扰的滤波器。
      EMI滤波器由线性元件电路组成，安装在电源线与电子设备之间。它可使电源频率通过，而阻止高频噪声通过，对提高设备的可靠性有重要作用。
  4．1   结构
      EMI滤波器由集中参数元件（电感、电阻和电容）构成无源网络，如图8所示。
  
图8   EMI滤 波 器 的 基 本 电 路 图
  图中：Cx——抗差模电容，用于衰减差模干扰；
        Cy——抗共模电容，用于衰减共模干扰；
        R——电阻，用于消除在滤波器上可能出现的静电积累；
        L1、L2——共模电感线圈，它们所绕圈数相同，绕向相反，当滤波器接入电路后，两只线圈内电流产生的磁通在磁环内相互抵消，不会使磁环达到磁饱和状态，从而保持两只电感值不变，可以获得较好的滤波效果。
      在滤波器设计中选用X和Y电容器时，要重视其电容量、耐压等级和安全等级的要求，因为它们直接关系到EMI滤波器的安全性能。
  4．2   安装
      在使用EMI滤波器时，要注意工作频率和安装位置。安装要求如下：
      ——应把滤波器外壳与设备金属外壳牢固可靠地固定在一起，否则会增大接触电阻，降低滤波性能；
      ——避免滤波器的输入导线与输出导线存在耦合，以免降低滤波器对EMI信号的抑制能力，最有效的解决办法是将滤波器安装在设备机壳的进线处。
  4．3   对滤波器的选用要求
      主要选用要求如下：
      ——对滤波器进行插入损耗测试；
      ——比较滤波器电路输出阻抗与电源输入阻抗，是否会影响滤波器的稳定性；
      ——尽可能选择能抑制自谐振的多级滤波器；
      ——高输入阻抗滤波器与低电源阻抗相匹配；
      ——必须能承受偶然的高压瞬变，如雷电冲击。
  5   结语
      电磁干扰不仅影响电子设备自身的正常工作，而且有可能影响到其它电子设备的正常工作，因此电磁兼容性是电子设备设计中必须考虑的问题。只有对电磁干扰产生的原因进行充分的分析和认识，然后采取相应的抗干扰措施，方可保证电子设备和电子系统正常工作。
  参考文献
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  [2]J.L.诺尔曼·维奥莱特.电磁兼容性手册[M]．潘飞凡(译)．电子工业部第十研究所
  [3]钱振宇．电磁兼容测试和对策技术[J]．电器技术.
  [4]冯慈章，马西奎．工程电磁学导论[M]．北京：人民教育出版社
  [5]GB/T－13926.工业过程测量和控制装置的电磁兼容性[S].