電子設(shè)備的電磁兼容及解決對策

羅 迪 蘇升力 韓貴春 李榮東 鄶 娟

（大連光洋科技工程有限公司，遼寧大連 116600）

1 電磁兼容的定義

設(shè)備、分系統(tǒng)和系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。即:該設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)不會由于受到處于同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備的電磁發(fā)射導(dǎo)致或遭受不允許的性能降低;它也不會使同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)因受其電磁發(fā)射而導(dǎo)致或遭受不允許的性能降低。

2 電磁干擾的分類

按干擾源分類，分為外部干擾和內(nèi)部干擾。外部干擾又分為自然干擾和人為干擾。具體關(guān)系可通過圖1來反映。

各種形式的電磁干擾是影響電子設(shè)備電磁兼容性的主要因素，因此，它是電磁兼容性設(shè)計(jì)中需要研究的重要內(nèi)容。

（1）外部干擾 是指電子設(shè)備或系統(tǒng)以外的因素對線路、設(shè)備或系統(tǒng)的干擾，包括以下幾種:①外部的高電壓、電源通過絕緣漏電而干擾電子線路、設(shè)備或系統(tǒng);②外部大功率設(shè)備在空間產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場，通過互感耦合干擾電子線路、設(shè)備或系統(tǒng);③空間電磁波對電子線路或系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾;④工作環(huán)境溫度不穩(wěn)定，引起電子線路、設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部元器件參數(shù)改變造成的干擾;⑤由工業(yè)電網(wǎng)供電的設(shè)備和由電網(wǎng)電壓通過電源變壓器所產(chǎn)生的干擾。

（2）內(nèi)部干擾 是指電子設(shè)備內(nèi)部各元部件之間的相互干擾，包括以下幾種:①工作電源通過線路的分布電容和絕緣電阻產(chǎn)生漏電造成的干擾（與工作頻率有關(guān)）;②信號通過地線、電源和傳輸導(dǎo)線的阻抗互相耦合，或?qū)Ь€之間的互感造成的干擾;③設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部某些元件發(fā)熱，影響元件本身或其他元件的穩(wěn)定性造成的干擾;④大功率和高電壓部件產(chǎn)生的磁場、電場通過耦合影響其他部件造成的干擾。

3 電磁干擾的傳播途徑

電磁干擾傳播途徑一般也分為兩種:傳導(dǎo)干擾方式和空間干擾方式。空間干擾主要包括輻射耦合干擾和感應(yīng)干擾（圖2）。

任何電磁干擾的發(fā)生都必然存在干擾能量的傳輸和傳輸途徑（或傳輸通道）。通常認(rèn)為電磁干擾傳輸有兩種方式:一種是傳導(dǎo)傳輸方式;另一種是空間傳輸方式。因此從被干擾的敏感器來看，干擾耦合可分為傳導(dǎo)耦合和空間（輻射）耦合兩大類。

傳導(dǎo)傳輸必須在干擾源和敏感器之間有完整的電路連接，干擾信號沿著這個(gè)連接電路傳遞到敏感器，發(fā)生干擾現(xiàn)象。這個(gè)傳輸電路可包括導(dǎo)線，設(shè)備的導(dǎo)電構(gòu)件、供電電源、公共阻抗、接地平板、電阻、電感、電容和互感元件等。

輻射傳輸是通過介質(zhì)以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁場的規(guī)律向周圍空間發(fā)射。常見的輻射耦合有3種:①甲天線發(fā)射的電磁波被乙天線意外接受，稱為天線對天線耦合;②空間電磁場經(jīng)導(dǎo)線感應(yīng)而耦合，稱為場對線的耦合;③兩根平行導(dǎo)線之間的高頻信號感應(yīng)，稱為線對線的感應(yīng)耦合。

在實(shí)際工程中，兩臺設(shè)備之間發(fā)生干擾通常包含著許多種途徑的耦合。正因?yàn)槎喾N途徑的耦合同時(shí)存在，反復(fù)交叉耦合，共同產(chǎn)生干擾，才使電磁干擾變得難以控制。

4 電磁兼容的解決對策

4．1 接地

接地是指整個(gè)電路系統(tǒng)中的所有單元電路都通過機(jī)殼連接大地，使整個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)公共的參考零電位，保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定地工作。

接地能夠有效防止外界的電磁場干擾。機(jī)殼接地可以使得由于靜電感應(yīng)而積累在機(jī)殼上的大量電荷通過大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設(shè)備內(nèi)部的火花放電而造成干擾甚至是器件的損壞。另外，對于電路的屏蔽體，若選擇合適的接地，也可獲得良好的屏蔽效果。

當(dāng)發(fā)生直接雷電的電磁感應(yīng)時(shí)，可避免電子設(shè)備的毀壞;當(dāng)工頻交流電源的輸入電壓因絕緣不良或其他原因直接與機(jī)殼相通時(shí)，可避免操作人員的觸電事故發(fā)生。

因此，接地是抑制噪聲防止干擾的主要方法。接地也可以理解為一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面，是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位，但不一定為大地電位。為了防止雷擊可能造成的損壞和工作人員的人身安全，電子設(shè)備的機(jī)殼和機(jī)房的金屬構(gòu)件等，必須與大地相連接，而且接地電阻一般要很小，不能超過規(guī)定值。

電路的接地方式基本上有3類，即單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。單點(diǎn)接地是指在1個(gè)線路中，只有1個(gè)物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)。其他各個(gè)需要接地的點(diǎn)都直接接到這一點(diǎn)上。多點(diǎn)接地是指某一個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)接地點(diǎn)都直接接到距它最近的接地平面上，以使接地引線的長度最短。接地平面，可以是設(shè)備的底板，也可以是貫通整個(gè)系統(tǒng)的地導(dǎo)線，在比較大的系統(tǒng)中，還可以是設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架等等?；旌辖拥厥菍⒛切┲恍韪哳l接地點(diǎn)，利用旁路電容和接地平面連接起來。但應(yīng)盡量防止出現(xiàn)旁路電容和引線電感構(gòu)成的諧振現(xiàn)象。

4．2 屏蔽

屏蔽就是對兩個(gè)空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個(gè)系統(tǒng)的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴(kuò)散;用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。

因?yàn)槠帘误w對來自導(dǎo)線、電纜、元部件、電路或系統(tǒng)等外部的干擾電磁波和內(nèi)部電磁波均起著吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場，可抵消部分干擾電磁波）的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能。

4．3 PCB的電磁兼容設(shè)計(jì)

（1）盡量減小每個(gè)回路的有效面積

傳導(dǎo)干擾分差模干擾和共模干擾兩種。先來看看傳導(dǎo)干擾是怎么產(chǎn)生的。如圖3所示，回路電流產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾。這里面有好幾個(gè)回路電流，我們可以把每個(gè)回路都看成是一個(gè)感應(yīng)線圈，或變壓器線圈的初、次級，當(dāng)某個(gè)回路中有電流流過時(shí)，另外一個(gè)回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，從而產(chǎn)生干擾。減少干擾的最有效方法就是盡量減小每個(gè)回路的有效面積。

（2）屏蔽、減小各電流回路面積及帶電導(dǎo)體的面積和長度

如圖4 所示，e1、e2、e3、e4為磁場對回路感應(yīng)產(chǎn)生的差模干擾信號;e5、e6、e7、e8為磁場對地回路感應(yīng)產(chǎn)生的共模干擾信號。共模信號的一端是整個(gè)線路板，另一端是大地。線路板中的公共端不能算為接地。不要把公共端與外殼相接，除非機(jī)殼接大地，否則，公共端與外殼相接，會增大輻射天線的有效面積，共模輻射干擾更嚴(yán)重。降低輻射干擾的方法，一個(gè)是屏蔽，另一個(gè)是減小各個(gè)電流回路的面積（磁場干擾）和帶電導(dǎo)體的面積及長度（電場干擾）。

（3）采用雙線傳輸和阻抗匹配

如圖5所示，兩根相鄰的導(dǎo)線，如果電流大小相等，電流方向相反，則它們產(chǎn)生的磁力線可以互相抵消。對于干擾比較嚴(yán)重或比較容易被干擾的電路，盡量采用雙線傳輸信號，不要利用公共地來傳輸信號，公共地電流越小干擾越小。當(dāng)導(dǎo)線的長度等于或大于1/4波長時(shí)，傳輸信號的線路一定要考慮阻抗匹配，不匹配的傳輸線會產(chǎn)生駐波，并對周圍電路產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射干擾。

電磁兼容是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，同樣的設(shè)計(jì)及防護(hù)在不同環(huán)境中的效果會有很大的差別。這就需要在各自系統(tǒng)的實(shí)際工作環(huán)境中，從原理及實(shí)踐中不斷地摸索和總結(jié)，去尋求解決之道。