關于電磁干擾在系統設計中的防護方法

（陜西中天火箭技術股份有限公司，陜西 西安 710000）

隨著現代科學技術水平的快速發展，冶煉廠使用不同儀表設備，由此產生的電磁污染不容小覷。在高精度、高可靠性和高安全性要求的系統中，針對電磁干擾的防護措施不可忽略[1]。電磁干擾通過空間輻射和線纜傳導的路徑對自動化設備中的電路和電子元器件實施干擾。在產品的設計中，應根據其使用環境、功能穩定性和系統匹配性，考慮設計電磁干擾防護和電磁兼容性能優化措施。

1 電磁兼容與電磁干擾

電磁兼容性（EMC，Electromagnetic Compatibility）指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行且不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁騷擾的能力。冶煉企業使用的不同儀表設備、轉爐及連轉系統會大量使用變頻器，變頻器產生功率較大的諧波，由于功率較大，對設備的干擾性較強。電磁干擾（EMI，Electromagnetic Interference）是干擾電纜信號和系統穩定性并降低信號完整性的電磁噪聲，分為傳導干擾和輻射干擾兩種，通過線纜傳導和空間耦合的方式進入電氣設備，從而影響設備正常工作[2]。根據干擾路徑，對干擾信號的防護可從結構屏蔽、電路設計和PCB布局上著手。

2 電磁兼容設計方法

2.1 結構屏蔽設計

設備的殼體外形是對內部系統的電磁保護層，在設計中應考慮電磁兼容，殼體采用屏蔽體的方法是一種電磁防護措施。屏蔽體的電連續性是影響結構件屏蔽效能最主要的因素，因此，屏蔽體結構應盡量簡潔、避免不必要的孔洞和縫隙。

孔洞和縫隙是影響屏蔽體結構電連續性和表面阻抗的重要因素，它構成了電磁波的傳播路徑。如圖1所示，屏蔽體的接合面使用凸臺和螺釘連接相結合的方法，可以有效避免電磁波從縫隙處進入屏蔽體內。同時對接觸面和螺釘孔采用導電氧化處理，使其在高頻信號下的阻抗盡量小，為搭接后的殼體提供良好的電連續性，其結構搭接后的阻抗以不大于5mΩ為佳。

圖1 凸臺連接方式

對于一些輻射大或抗干擾能力差的單板或模塊，如電源板，可單獨安裝在屏蔽盒中，在低成本下減弱單板或模塊之間的相互干擾，實現系統內部模塊之間的電磁兼容。

產品內部線纜應盡量短，避免干擾信號的耦合和對外發射，同類信號以雙絞形式走線，與電路板保持10mm以上距離。

若產品外部有線纜連接，應采用帶濾波功能的接插件，對線纜分電源、通訊和信號線，分別雙絞屏蔽，通過屏蔽材料保證屏蔽殼體、接插件殼體與線纜屏蔽層的電連續性。屏蔽材料可選用導電橡膠、金屬絲網、導電布、導電膠等。

為電磁干擾信號搭接可靠地，也是濾除干擾信號的重要手段。可在設備的外殼設計至少一個專用的附加接地點，且接地點應受到保護，避免影響導電性。將該接地線接至大地，為干擾信號提供可靠地平面。

2.2 電路電磁兼容設計

電磁波在低頻時主要通過導體傳遞，在高頻時既可在導體傳遞，也可在自由空間內傳遞。電路中的容性和感性負載在不同頻率下的阻抗會發生變化。阻抗變化改變了電路的固有特性，為系統的功能穩定性帶來了系列影響，因此，在電路設計中，應在接口和關鍵電路處考慮濾波。

2.2.1 通信電路的電磁兼容設計

對于通信電路，以RS422為例，如圖2所示，在接口處應搭LC接濾波電路，再通往后級電路。信號線上的干擾具有共模（CM）和差模（DM）兩種電流分量，在一個濾波器中同時對兩種干擾進行濾除較困難，可以通過外圍濾波電路著重濾除。對Rx+和Rx-各加入一個對地的濾波電容C1和C2，濾除信號線上的干擾，再將其接入一個共模電感L1，用于抑制電路上的共模干擾。Tx+和Tx-同理。

圖2 RS422濾波電路示意圖

2.2.2 電源電路的電磁兼容設計

對于電源電路，DC/DC內部二極管、電容和電感會引起噪聲干擾，同時外部干擾引起電源的抖動可能會對模擬電路帶來偏差。對于高頻信號，常見的濾波電路有L型、T型和π型，這三種濾波電路都具有阻斷高頻信號的特征。對于從接口接入的信號，一般選取π型濾波電路，如圖3所示。

圖3 π型濾波電路

一般在濾波器的輸入端和輸出端設計兩級濾波電路，如圖4所示。C1、C2、C3、C6、C7形成第一級濾波電路，C6和C7為共模濾波電容，C1、C2、C3為差模濾波電容。接口端的雙向TVS管可抑制浪涌干擾信號，儲能電容可預防電源瞬斷、跌落和畸變。C4、C5、C8和C9組成第二級濾波電路，C8和C9為共模濾波電容，C4和C5為差模濾波電容。

圖4 電源接口電路

在此設計基礎上，還應保證電源電磁兼容濾波器殼體與電子設備機殼地可靠接觸，具有良好的電連續性。同時，可在電源模塊的正端輸入和正端輸出間加入符合功率要求的電容，為干擾搭接最短回路。

3 PCB電磁兼容設計

對于電路的PCB布局，需考慮自我兼容性，避免數字電路和模擬電路之間的相互干擾，相鄰走線之間的空間耦合干擾，高頻器件向外空間輻射干擾等。主要方法可總結為PCB分層、布局和分地設計三個方面。

3.1 PCB分層設計

根據產品實際尺寸、實現功能和成本要求，對電路板的PCB布局分層設計。以4層板為例，如圖5所示，2個布線層，1個地平面層和1個電源層。圖中S層代表布線層，G層代表地平面層，P層代表電源層。S1（TOP層）代表布置主要元器件層。該設計方案在4層板分層設計中電磁兼容性能最優。

圖5 四層板設計方案

該設計方案優點為：

1)2個布線層，其層內信號都有與之對應的完整的平面參考層，保證信號有良好的低阻抗回流路徑；

2)電源平面P靠近地平面G，兩者之間的耦合電容，降低了平面間的阻抗，同時電源層與地平面間產生的寄生電容可為電源層提供很好的高頻去耦路徑。

3.2 PCB布局設計

在產品電路板固定的情況下，若布局時器件分散，過長的傳輸線會增加阻抗，降低抗噪能力。若布局時器件放置集中，過近的走線容易產生空間耦合干擾，同時影響散熱。因此，應根據電路功能單元布局，同時考慮電磁兼容、散熱和接口等因素。設計過程應遵循以下原則：

1)按照電路信號的流程安排布局各功能電路單元，使信號流通保持方向一致，嚴格保證輸入輸出元件的距離。

2)盡量縮短高頻元器件間的連線，避免長距離平行走線帶來的串擾，同時減小它們之間帶來的分布參數。

3)時鐘電路、高速信號電路、復位信號電路和敏感信號電路，保持間隔，遠離板邊和接口連接器布局，盡量走內層，防止相互耦合。

4)對濾波器的安裝應按照信號流方向布局，盡量靠近接口，避免濾波器前后端的信號交叉走線，且濾波器、電感線圈下方投影區域不能有高速信號或敏感的控制信號走線。若無法避免在其下方走線，則一定考慮線圈的方向，使場強方向和線圈的平面平行，保證穿過線圈的磁力線最少。

5)濾波電路和器件盡量靠近所需濾波的電路和器件，避免空間耦合，影響濾波效能。

3.3 PCB分地設計

當產品的電路設計中涉及信號隔離時，需要進行分地處理。根據隔離需求對不同的信號分別設置地線，如模擬地、數字地、通訊地、保護地等。分地處理可以防止不相容電路的回流干擾信號疊加，防止在公共接地線端互相耦合干擾。如圖6所示，分地處理時各個地區域投影部分應與其功能對應的電路在同一區域。

圖6 分地設計示意圖

以圖6為例，通過分地設計，實現輸入電源地、濾波后輸出電源地、通信地和數字地之間的隔離，避免各個地之間投影重疊和走線的跨分割，對每個底層預留一個對外殼地的跨接電容，為干擾搭接低阻抗回路。

4 結語

冶煉廠自動控制系統中的干擾是一個復雜問題，采取綜合防護措施可以將干擾因素進行排除，將干擾減少到最低。做好產品的結構屏蔽、電路原理圖濾波措施和PCB走線布局設計，可有效避免電磁干擾，保證系統電磁兼容性。

[1]張華.轉爐副槍自動化煉鋼系統的開發與實踐[J].工業b,2017(1):00254-00254.

[2]史鳳敏,陳甘,王健.抗電磁干擾兼容連接器技術在電力自動化系統中的應用研究[J].科技經濟導刊,2016(24).