姜興杰

摘 要：以實際工程中常遇到的電磁兼容問題為背景，簡要地介紹了有關電磁干擾及有關抗干擾措施方面的內(nèi)容。通過對接地方法、屏蔽思想和濾波手段的詳細論述和獨到見解，提出了系統(tǒng)電磁兼容的設計思想以及解決方法，并對實際工作中常見的干擾、濾波及接地等電磁兼容現(xiàn)象給出相應分析與解決建議。

關鍵詞：電磁兼容； 抗干擾措施； 濾波手段； 屏蔽； 接地方法

中圖分類號：TN97-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)09-0164-04

Design and Application of Electromagnetic Compatibility

JIANG Xing-jie

(No.39 Institute of CETC,Xian 710065,China)

Abstract： Aiming at the EMC problem often encountering in the actual engineering,the electromagnetic interference and anti-interference measures are introduced briefly. The grounding method,shielding idea,filtering approach and unique insights for anti-interference are elaborated. The design concept and solutions in the aspect of system electromagnetic compatibility are proposed. The filtering,grounding,interference often encountering in the actual engineering and other phenomena of electromagnetic compatibility are analyzed,and solutions for dealing with the difficulties mentioned above are provided.

Keywords： electromagnetic compatibility; anti-interference measure; filtering approach; shielding; grounding method

0 引 言

電磁兼容技術是一門迅速發(fā)展的交叉學科，涉及電子、計算機、通信、航空航天、鐵路交通、電力、軍事以至人民生活各個方面。在當今信息社會，隨著電子技術、計算機技術的發(fā)展，一個系統(tǒng)中采用的電氣及電子設備數(shù)量大大增加，而且電子設備的頻帶日益加寬，功率逐漸增大，靈敏度提高，聯(lián)接各種設備的電纜網(wǎng)絡也越來越復雜，因此，電磁兼容問題日顯重要。

1 基本概念和術語

1.1 電磁兼容性定義

所謂電磁兼容性(EMC)是指電子線路、系統(tǒng)相互不影響，在電磁方面相互兼容的狀態(tài)。IEEE C63.12-1987規(guī)定的電磁兼容性是指“一種器件、設備或系統(tǒng)的性能，它可以使其在自身環(huán)境下正常工作并且同時不會對此環(huán)境中任何其他設備產(chǎn)生強烈電磁干擾”。

1.2 電磁干擾三要素

一個系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)某一線路受電磁干擾程度可以表示為如下關系式：

N=G?C/I

式中:G為噪聲源強度；C為噪聲通過某種途徑傳到受干擾處的耦合因素；I為受干擾設備的敏感程度。

G,C,I這三者構(gòu)成電磁干擾三要素。電磁干擾抑制技術就是圍繞這三要素所采取的各種措施，歸納起來就是：抑制電磁干擾源。切斷電磁干擾耦合途徑；降低電磁敏感裝置的敏感性。

1.3 地線的阻抗與地環(huán)流

1.3.1 地線的阻抗

電阻指的是在直流狀態(tài)下導線對電流呈現(xiàn)的阻抗，而阻抗指的是交流狀態(tài)下導線對電流的阻抗，這個阻抗主要是由導線的電感引起的。如果將10 Hz時的阻抗近似認為是直流電阻，當頻率達到10 MHz時，它的阻抗是直流電阻的1 000~100 000倍。因此對于射頻電流，當電流流過地線時，電壓降是很大的。為了減小交流阻抗，一個有效的辦法是多根導線并聯(lián)，以減少和地線之間的電感。當兩根導線并聯(lián)時，其總電感L為：

L=(L1+M)/2

式中:L1是單根導線的電感；M是兩根導線之間的互感。

1.3.2 地環(huán)流

由于地線阻抗的存在，當電流流過地線時，就會在地線上產(chǎn)生電壓。這種干擾是由電纜與地線構(gòu)成的環(huán)路電流產(chǎn)生的，因此成為地環(huán)路干擾,如圖1所示。

圖1 地環(huán)流示意圖

1.4 公共阻抗干擾

1.4.1 公共阻抗耦合定義

當兩個電路共用一段地線時，由于地線的阻抗，一個電路的地電位會受另一個電路工作電流的影響。這樣一個電路中的信號會耦合到另一個電路，這種耦合稱為公共阻抗耦合，如圖2所示。

圖2 公共阻抗耦合示意圖

1.4.2 消除公共阻抗耦合措施

消除公共阻抗耦合的途徑有兩個，一個是減小公共地線部分的阻抗，另一個方法是通過適當?shù)慕拥胤绞奖苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線，一般要避免強電電路和弱電電路共用地線，數(shù)字電路和模擬電路共用地線。

2 電磁干擾的抑制方法

電磁干擾的抑制方法很多，基本方法有三種，即接地、屏蔽和濾波。每種方法在電路與系統(tǒng)的設計中各有獨特作用，但在使用上又是相互關聯(lián)。如良好的接地可降低設備對屏蔽和濾波的要求，而良好的屏蔽也能降低對濾波的要求。

2.1 接地

接地從表面上看是十分簡單的事情，實際上是最難的技術。造成這種情況的原因是對于接地沒有一個很系統(tǒng)的理論或模型，因此接地設計在很大程度上依賴設計師的直覺，依賴他對“接地”這個概念的理解程度和經(jīng)驗。

2.1.1 接地的分類

根據(jù)使用功能的不同，可以把接地分成如下幾種形式：

(1) 安全接地：使用交流電的設備必須通過黃綠色安全地線接地，否則當設備內(nèi)的電源與機殼之間的絕緣電阻變小時，會因為漏電而導致電擊傷害。

(2) 雷電接地：設施的雷電保護系統(tǒng)是一個獨立系統(tǒng)，由避雷針、下導體和與接地系統(tǒng)相連的接頭組成。該接地系統(tǒng)通常與安全接地接在一起。雷電放電接地僅對設施而言，設備沒有這個要求。

(3) 電磁兼容接地：出于電磁兼容設計而要求的接地，包括：

屏蔽接地 為了防止由電路之間的寄生電容產(chǎn)生的相互干擾，必須進行隔離和屏蔽，用于隔離和屏蔽的金屬必須接地。

濾波器接地 濾波器中一般都包含信號線或電源線到地的旁路電容，當濾波器不接地時，這些電容就處于懸浮狀態(tài)，起不到旁路的作用。

噪聲和干擾抑制 對內(nèi)部噪聲和外部干擾的控制，應將設備或系統(tǒng)上的某些點與地相連，從而為干擾信號提供“最低阻抗”通道。

電路參考 電路之間信號要正確傳輸，必須有一個公共電位參考點，這個公共電位參考點就是地。因此所有互相連接的電路必須接地。

一般在設計要求時僅明確安全和雷電防護接地的要求，其他均隱含在用戶對系統(tǒng)或設備的電磁兼容要求中。

2.1.2 設備的信號接地

設備的信號接地，是以設備中某一點或一塊金屬薄板來作為信號的接地參考點，它為設備中的所有信號提供了一個公共參考電位。

實際應用中有幾種基本的信號接地方式，即浮地、單點接地、多點接地和混合接地。

(1) 浮地

采用浮地的目的是將設備與公共接地系統(tǒng)，或可能引起環(huán)流的公共導線隔離開。

浮地的最大優(yōu)點是抗干擾性能好。缺點是由于設備不與公共地相連，容易在兩者間造成靜電積累，當電荷積累到一定程度后，在設備地與公共地之間的電位差可能引起劇烈的靜電放電，而成為破壞性很強的干擾源。一個折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個阻值很大的泄放電阻，用以釋放所積聚的電荷。實現(xiàn)設備的浮地可采用變壓器隔離或光電隔離。

(2) 單點接地

單點接地是指在一個電路或設備中只有一個物理點被定義為接地參考點，凡需要接地的點都被接至這一點，如圖3所示。對一個系統(tǒng)，如采用單點接地，則系統(tǒng)中的每個設備都有自己的單點接地點，然后各設備的“地”再與系統(tǒng)中惟一指定的參考接地點相連。

單點接地的缺點是當系統(tǒng)工作頻率很高時，以致信號的波長可與接地線長度相比擬時(如達到1/4波長)，接地線就不能作為一根普通連接線考慮，它會呈現(xiàn)某種電抗效應，使接地效果不理想，此時可以采用多點接地的方法。

圖3 單點接地示意圖

(3) 多點接地

多點接地指設備中凡需要接地的點都直接接到距它最近的接地平面上，以便使接地線最短，如圖4所示。這里說的接地平面可以是設備的底板、專用接地母線，甚至是設備的機架。

多點接地的優(yōu)點是簡單，凡需要接地的點都可以就近接地，由于接地電感的減小，使地線上的高頻噪聲大為減少。所以多點接地在高頻下使用效果更佳。

圖4 多點接地示意圖

單點接地與多點接地的分界常以流通信號波長λ的0.05倍為界，凡單點接地線長度達到0.05λ以上時，就應當用多點接地。

2.1.3 設備的接大地

(1) 設備的接大地

實際應用中，除認真考慮設備內(nèi)部的信號接地外，通常還要將設備的信號地、機殼與大地連在一起，并以大地作為設備的接地參考點。設備接大地的目的有三個：

① 設備的安全接地，保證了操作人員的安全；

② 釋放機箱上所積聚的電荷，避免因電荷積聚使機箱電位升高，造成電路工作的不穩(wěn)定；

③ 避免設備在外界電磁環(huán)境的干擾下造成設備對大地的電位發(fā)生變化，引起設備工作的不穩(wěn)定。

如能將接地與屏蔽、濾波等技術配合使用，對提高設備的電磁兼容性可起到事半功倍的作用。

(2) 接大地的方法與接地電阻

判斷接大地有效性的重要指標是接地電阻。接地電阻除與接地電極的制作方式有關外，也和大地自身的性質(zhì)有關。

正確的接大地方法是用直徑1～2 cm的銅棒(長2～4 m)打入地下，深度在2 m以上。一根銅棒的接地電阻在25 Ω左右，這對一些小功率電氣設備已經(jīng)夠用。若要達到更小的接地電阻，可增加銅棒附近地域的鹽分和水分，還可將幾根銅棒互連成網(wǎng)。一般接地電阻以10 Ω為設計目標。

2.2 屏蔽

用金屬材料將設備內(nèi)部產(chǎn)生噪聲的區(qū)域封閉起來的方法稱為屏蔽。屏蔽能有效抑制通過空間傳播的電磁干擾。采用屏蔽的目的有兩個：一是限制設備內(nèi)部的輻射電磁能越出某一區(qū)域；二是防止外部的輻射電磁能進入設備內(nèi)部。

按屏蔽所起的作用可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽三種。

2.2.1 電場屏蔽

電場屏蔽就是用導體將噪聲源(或被屏蔽物體)包圍起來，然后接地，以達到屏蔽的目的。由于導體表面的反射損耗很大，很薄的材料(鋁箔、銅箔)也有很好的屏蔽效果。另外，機箱上即使有縫隙，也不會產(chǎn)生太大的影響。

2.2.2 磁場屏蔽

磁場屏蔽通常是指對直流或低頻磁場的屏蔽，其屏蔽效果比電場的屏蔽要困難得多。

磁場屏蔽的主要原理是利用屏蔽體的高導磁率、低磁阻特性對磁通所起的磁分路作用，使屏蔽體內(nèi)部的磁場大大削弱。當要屏蔽外部強磁場時，要求外層屏蔽體選用不易磁飽和的材料，如硅鋼等；內(nèi)層則用容易達到飽和的高導磁材料。反之，屏蔽體的材料使用次序也需顛倒過來。兩層屏蔽體在安裝時要注意彼此間的磁路絕緣。若屏蔽體無接地要求，可用絕緣材料作支撐；如要求接地，可用非鐵磁材料的金屬作支撐。

2.2.3 電磁場屏蔽

電磁場屏蔽的目的是要阻止電磁場在空間傳播。

電磁場屏蔽可采用如下方法：

反射 金屬表面對電磁波的反射作用。

吸收 電磁波在進入屏蔽體內(nèi)部時，會被屏蔽體金屬所吸收。

反射和吸收 電磁波透過金屬到達屏蔽體另一表層時，在金屬與空氣交界面上會再次形成反射，重返屏蔽體內(nèi)部，結(jié)果在屏蔽體內(nèi)部形成多次反射和吸收現(xiàn)象(當然最終還會有少量電磁波透過屏蔽體而進入被保護空間)。

因此，電磁屏蔽是基于金屬材料對電磁波的反射和吸收兩個作用來完成的。

2.3 濾波

針對不同的干擾，應采取不同的抑制方法和器件，下面對不同的抑制器件分別作簡要敘述。

2.3.1 專用供電線路

只要通過對供電線路進行簡單處理就可以獲得一定的干擾抑制效果。例如在三相供電系統(tǒng)中把一相作為干擾敏感設備的供電電源；把另一相作為外部設備的供電電源；再把第三相作為常用測試儀器或其他輔助設備的供電電源。這樣可減少設備之間的相互干擾，同時也有利于三相平衡。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，由于配電線路中非線性負載的使用，造成線路中諧波電流的存在，而諧波分量在中線里不能相互抵消，而是疊加，因此盡量采用較粗的中線，以減小線路阻抗，降低干擾。

2.3.2 瞬變干擾抑制器件

瞬變干擾抑制器件包括氣體放電管、金屬氧化物壓敏電阻、硅瞬變吸收二極管和固體放電管等多種。其中金屬氧化物壓敏電阻和硅瞬變吸收二極管的工作原理與普通的穩(wěn)壓管類似，是箝位型的干擾吸收器件；而氣體放電管和固體放電管是能量轉(zhuǎn)移型干擾吸收器件。

3 結(jié) 語

本文是在電磁兼容理論學習的基礎和實際工程應用中積累的一些經(jīng)驗，是工程實踐中的經(jīng)驗總結(jié)，所提出的一些觀點，難免有一些不完善之處，懇請各位同行批評指正。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文