某類大型復雜機電系統的電磁兼容性研究*

杜 鵬 董琳琳

(91550部隊91分隊 大連 116023)

某類大型復雜機電系統的電磁兼容性研究*

杜 鵬 董琳琳

(91550部隊91分隊 大連 116023)

文章對電磁兼容性(EMC)的概念及電磁干擾的來源進行了介紹,并介紹了某類大型復雜機電系統存在的主要干擾及干擾測量方法,從抑制干擾源、切斷傳播途徑、提高敏感器件的抗干擾性能三個方面闡述了干擾防護措施。

電磁兼容性;電磁干擾;干擾測量

Class NumberV211.7

1 引言

本文所說的大型復雜機電系統通常在電磁場條件比較惡劣的環境中進行試驗,包括本身的各類發射機、接收機、轉發器等在系統本身和周圍產生多個頻段的電磁信號,在各種倍頻、分頻、混頻電路中又會產生很多頻段的電磁干擾,加上各種測控、通信設備發送的強電磁信號,以及內部供電系統和多種不確定的干擾源,各種電磁干擾威脅著整個系統的正常運行,使系統在測試、發射、飛行過程中發生故障。

檢測信號和指令信號中混入干擾信號后,可能擾亂程序的正常執行,使指令信號失常,檢測信號異常;存儲器或寄存器中的數據可能由于受到干擾而改變;環境中的電磁信號干擾和系統內部的相互竄擾,更是極大地威脅著系統中計算機和數字系統工作的穩定性、可靠性和安全性,干擾嚴重時還可能使設備的微處理器不能正常工作,出現計算機死機現象。

對于工作密級較高的試驗場所而言,設備的電磁泄漏也同樣威脅著系統的信息安全,如計算機的鍵盤、顯示屏等都會使信息輻射泄漏出去,這些信息,一旦被敵方截獲,將會造成巨大損失。

因此,有效地抑制和防護電磁干擾是這類大型復雜機電系統試驗中必須進行的工作。

2 EMC相關概念

電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)是指電子、電器設備共處一個環境中能互不干擾、兼容工作的能力,對于一個設備,既要求它不產生過大的干擾使其它設備工作失常,也要求它具有一定的抗干擾能力,以保證在其他設備發出的干擾環境下能正常工作。

電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)是指任何能中斷、障礙、降低或限制通信電子設備有效性能的電磁能量。

電磁敏感度(Electromagnetic Susceptibility,EMS)即設備、分系統或系統暴露在電磁輻射下所呈現的不希望有的響應程度。電磁敏感度也分為輻射敏感度和傳導敏感度。

系統和分系統的EMI和EMS是其重要的特性,只有控制和限制它們才能實現EMC。

圖1 電磁兼容三要素

電磁兼容三要素是干擾源(騷擾源)、耦合通路和敏感體。切斷以上任何一項都可解決電磁兼容問題,如圖1所示。圖中RE為輻射發射,RS為輻射敏感度,CE為傳導發射,CS為傳導敏感度。

電磁兼容的解決方案常用的方法主要有屏蔽、接地和濾波,但是這三者或者這三者以外的方案有著必然的聯系。

3 大型復雜機電設備存在的主要干擾及來源

3.1 系統內部的電磁干擾

1)天線間的干擾。系統中天線間的輻射干擾為主要的電磁干擾,由于系統內部空間狹小,天線布置不合理可能產生嚴重的射頻輻射危害。

2)單線制電網公共地線干擾。采用單線制供電方式的設備主電網,一般將設備殼體作為電源負線,在公共地線上會匯集所有瞬態干擾和噪聲干擾,沿著設備殼體送給所有用電設備。

3)電源脈動電壓干擾。設備中的直流發電機和二次電源,以及地面檢測用的直流電源都存在脈動電壓(波紋電壓)。其頻帶較寬,在0.01kHz～200kHz內能產生較強的低頻磁場,沿著電源線耦合進入所有用電設備,產生脈動電壓干擾,其中峰值干擾最嚴重,尤其對低電平信號影響較大。

4)瞬態干擾。設備中發電機電壓調節和負載變化,都會產生電壓瞬態變化過程,其尖峰電壓和浪涌電壓雖然時間很短,但峰值很高。

5)導體間的交叉干擾。線間耦合是系統中僅次于天線耦合的一種重要耦合途徑,而在設備中則是居首位的干擾原因。

6)屏蔽和接地引發的干擾。設備上高頻設備如雷達發射機、遙測發射機和無線電高度表發出的射頻能量由設備上縫隙或小艙口滲透到設備內,將產生很大的電磁泄漏,造成嚴重的干擾。

3.2 其他外來干擾

如人為干擾中的工業干擾、無線廣播電視信號、移動通訊信號,自然干擾中的雷電和靜電放電、天電干擾、宇宙干擾信號以及其它外來干擾信號等。

4 EMC技術的應用

4.1 干擾的測量

要徹底解決大型復雜機電系統中存在的干擾問題,關鍵是要對系統接受的電磁輻射進行定量測量,然后再進行有針對性的防護。EMC測試必須依據EMC標準和規范給出的測試方法進行,并以標準規定的極限值作為判據。文獻[1]指出,EMC測量的三個關鍵是:

1)測量產品的傳導干擾和輻射干擾,測量產品所處的電磁環境,測量一個系統電源的EMI特性等來摸清干擾源的特性;

2)測量濾波器、屏蔽殼體、接地系統的特性,測量屏蔽材料、導電襯墊、電磁波吸收材料的衰減特性、天線耦合度、電纜串音等來摸清干擾路徑(耦合通路)的特性;

3)測量傳導敏感度和輻射敏感度,測量系統中設備的EMC安全裕度、安全放電(ESD)、雷電放電等來摸清受擾設備(敏感體)的響應特性。

在對大型復雜機電系統實際的測試中,可以根據大型復雜機電系統的特點及干擾類型選擇測量方法、測量設備和試驗場地。例如對輻射干擾的測量,我們一般選擇橢圓形開闊場或半電波暗室;測量接收機為30～1000MHz,滿足 GB/T6113.1;天線選用對數偶極子天線或雙錐天線,滿足GB/T6113.1;接地平板符合GB/T6113.1。

測量方法及步驟:

1)將天線取水平極化方向并置于某一適當高度,轉臺置于某一適當角度,在30～1000MHz范圍內用峰值檢波進行初測;

2)在0°～360°之間旋轉轉臺,在初測時干擾較大的頻率點上,尋找被測設備最大干擾電平(準峰值);

3)在1～4m高度范圍內升降天線,尋找該頻率點上的最大干擾電平;

4)改變天線極化方向,改為垂直極化,重復上述測量。

4.2 干擾的抑制和預防

抑制和防護干擾的基本原則是:抑制干擾源,切斷干擾傳播路徑,提高敏感器件的抗干擾性能。

大型復雜機電系統由許多電子設備構成,電源、電子元件、繼電器、電路板、單片機、導線等是構成這一系統的基礎單元。只有充分考慮到這些基本單元的EMC特性,才能對整個系統的干擾作出有效的防護和抑制。下面就從三個方面出發具體談談大型復雜機電系統抗干擾的具體措施。

4.2.1 抑制干擾源

抑制干擾源就是盡可能地減小干擾源的du/dt,di/dt。這是抗干擾設計中最優先考慮和最重要的原則,常常會起到事半功倍的效果。減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯電容來實現。減小干擾源的di/dt則是在干擾源回路串聯電感或電阻以及增加續流二極管來實現。

針對具體的測控設備,抑制干擾源的常用措施如下:

1)繼電器線圈增加續流二極管,消除斷開線圈時產生的反電動勢干擾。僅加續流二極管會使繼電器的斷開時間滯后,增加穩壓二極管后繼電器在單位時間內可動作更多的次數。

2)在繼電器接點兩端并接火花抑制電路(一般是RC串聯電路,電阻一般選幾K到幾十K,電容選0.01μ F),減小電火花影響。

3)給電機加濾波電路,注意電容、電感引線要盡量短。

4)電路板上每個IC要并接一個0.01μ F～0.1μ F高頻電容,以減小IC對電源的影響。注意高頻電容的布線,連線應靠近電源端并盡量粗短,否則,等于增大了電容的等效串聯電阻,會影響濾波效果。

5)設備內部布線時避免90°折線,減少高頻噪聲發射。

6)可控硅兩端并接RC抑制電路,減小可控硅產生的噪聲(這個噪聲嚴重時可能會把可控硅擊穿的)。

4.2.2 切斷傳播途徑

按干擾的傳播路徑可分為傳導干擾和輻射干擾兩類。所謂傳導干擾是指通過導線傳播到敏感器件的干擾,其中電源噪聲的危害最大,要特別注意處理。高頻干擾噪聲和有用信號的頻帶不同,可以通過在導線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播,有時也可加隔離光耦來解決。所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾,一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離,用地線把它們隔離和在敏感器件上加屏蔽罩。

切斷干擾傳播路徑的常用措施如下:

1)充分考慮電源對單片機的影響。電源做得好,整個電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機對電源噪聲很敏感,要給單片機電源加濾波電路或穩壓器,以減小電源噪聲對單片機的干擾。比如,可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路,當然條件要求不高時也可用100Ω電阻代替磁珠。

2)如果單片機的I/O口用來控制電機等噪聲器件,在I/O口與噪聲源之間應加隔離(增加π形濾波電路)。控制電機等噪聲器件,在I/O口與噪聲源之間應加隔離(增加π形濾波電路)。

3)注意晶振布線。晶振與單片機引腳盡量靠近,用地線把時鐘區隔離起來,晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問題。

4)電路板合理分區,如強、弱信號,數字、模擬信號。盡可能把干擾源(如電機,繼電器)與敏感元件(如單片機)遠離。

5)用地線把數字區與模擬區隔離,數字地與模擬地要分離,最后在一點接于電源地。

6)單片機和大功率器件的地線要單獨接地,以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。

7)在單片機I/O口,電源線,電路板連接線等關鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環、電源濾波器,屏蔽罩,可顯著提高電路的抗干擾性能。

4.2.3 提高敏感器件的抗干擾性能

提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對干擾噪聲的獲取,以及從不正常狀態盡快恢復的方法。

提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下:

1)布線時盡量減少回路環的面積,以降低感應噪聲。

2)布線時,電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外,更重要的是降低耦合噪聲。

3)對于單片機閑置的I/O口,不要懸空,要接地或接電源。其它IC的閑置端在不改變系統邏輯的情況下接地或接電源。

4)對單片機使用電源監控及看門狗電路,如:IMP809,IMP706,IMP813,X25043,X25045 等 ,可大幅度提高整個電路的抗干擾性能。

5)在速度能滿足要求的前提下,盡量降低單片機的晶振和選用低速數字電路。

6)IC器件盡量直接焊在電路板上,少用IC座。

5 結語

本類大型復雜機電系統中的電子儀器、電子設備較多,系統復雜程度高,對電磁干擾的治理和防護是設計和測試工作中應予以高度重視的內容。系統全面地分析本類大型復雜機電系統的電磁環境是順利開展系統試驗工作的首要前提,依據EMC標準對系統存在的電磁輻射進行定量測量是必要條件,只有較為全面地考慮到電磁干擾影響并積極地加以防治,降低干擾程度,才能較好地發揮系統效能。

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Research on the EMC of Some Large-sized Complicated Electro-mechanical System

Du Peng Dong Linlin
(Unit 91,No.91550 Troops of PLA,Dalian 116023)

In this paper,the concept of electro-magnetic compatibility(EMC)and electromagnetic interference sources are firstly introduced,then based on some large-sized complicated electro-mechanical system,several sources of interference and interferences measurement methods are also introduced.At the end of this paper,interference prevents methods as how to depress interference sources,chop propagation path,increase the anti-interference of sensitive device are illustrated in detail.

EMC,electromagnetic interference,jamming measure

V211.7

2010年8月27日,

2010年9月28日

杜鵬,男,工程師,研究方向:試驗測控。董琳琳,女,工程師,研究方向:制導和控制。