電磁兼容設(shè)計

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1、引言

電磁兼容設(shè)計也是電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和認(rèn)證制度對產(chǎn)品的要求。電磁兼容性檢測認(rèn)證合格報告證書，是電子、電氣產(chǎn)品進(jìn)入市場必備的一份通行證。一權(quán)威機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計分析報告指出，未進(jìn)行電磁兼容設(shè)計的電子、電氣產(chǎn)品，其電磁兼容性能指標(biāo)滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的可能性僅為25%左右。

電磁兼容設(shè)計的理論基礎(chǔ)是電磁場理論、電路理論和信號分析等。應(yīng)用中的電磁兼容設(shè)計包括接地技術(shù)、濾波和吸收技術(shù)、屏蔽和隔離技術(shù)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計等等。電磁兼容設(shè)計的基本方法有問題解決法、規(guī)范法和系統(tǒng)法。電磁兼容設(shè)計的內(nèi)容包括電磁環(huán)境分析、頻率選用、電磁兼容性指標(biāo)和電磁兼容設(shè)計技術(shù)應(yīng)用（本刊九八年三月號《電磁兼容概論》已做過簡要介紹）。

1）抑制電磁騷擾源的設(shè)計要點

盡量去掉對設(shè)備（或系統(tǒng)）工作用處不大的潛在電磁騷擾源，減少騷擾源的個數(shù)；恰當(dāng)選擇元器件和線路的工作模式，盡量使設(shè)備工作在特性曲線的線性區(qū)域，以使諧波成份降低；對有用的電磁發(fā)射或信號輸出也要進(jìn)行功率限制和頻帶控制；合理選擇電磁波發(fā)射天線的類型和高度，不盲目追求覆蓋面積和信號強(qiáng)度；合理選擇電磁脈沖形狀，不盲目追求上升時間和幅度；控制產(chǎn)生電弧放電和電火花，宜選用工作電平低的或有觸點保護(hù)的開關(guān)或繼電器，宜選用加工精密的直流電機(jī)；應(yīng)用良好的接地技術(shù)來抑制接地干擾、地環(huán)路干擾并抑制高頻噪聲。

2）抑制干擾耦合的設(shè)計要點

把攜帶電磁噪聲的元件和導(dǎo)線與連接敏感元件（或電磁騷擾特性測量端口、界面）隔離；縮短干擾耦合路徑的長度，宜使導(dǎo)線盡量短，必要時使用屏蔽線或加屏蔽套；注意布線和結(jié)構(gòu)件的天線效應(yīng)，對通過電場耦合的輻射，盡量減少電路的阻抗，而對通過磁場耦合的輻射，則盡量增加電路的阻抗；應(yīng)用屏蔽等技術(shù)隔離或減少輻射途徑的電磁騷擾；應(yīng)用濾波器、脈沖吸收器、隔離變壓器和光電耦合器等濾除或減少傳導(dǎo)途徑的電磁騷擾。

3）敏感設(shè)備的設(shè)計要點

對于騷擾源的各種電磁防護(hù)措施，一般也同樣適用于敏感設(shè)備，可以采用濾波、脈沖吸收、內(nèi)部屏蔽、隔離技術(shù)、內(nèi)部去耦電路及線路和結(jié)構(gòu)的合理布局等來抑制電磁干擾。此外，在設(shè)計中盡量少用低電平器件，不盲目選擇高速器件，去掉那些不十分需要的敏感部件，適當(dāng)控制輸入靈敏度，等等。

1）接地的基本概念

電路中的“地”一般定義為電路或系統(tǒng)的零電位參考點。它不一定是實際的大地，它可以是設(shè)備的外殼或其它金屬板、線。

“接地”一般是指電路或系統(tǒng)與“地”之間建立低阻抗通路，其中一點通常是系統(tǒng)的一個電氣或電子元器（組）件，而另一點為“地”。

對接地平面的要求：接地平面應(yīng)是零電位，它作為系統(tǒng)中各電路任何位置、所有信號的公共電位參考點；理想的接地平面是零電阻的實體，電流在接地平面流過時沒有壓降，現(xiàn)實中雖不存在零阻抗的接地平面，但應(yīng)力求減少它的阻抗；良好的接地平面與布線間應(yīng)有大的分布電容，而平面本身的引線電感將是很小，理論上它必須能吸收所有信號而使設(shè)備穩(wěn)定地工作；良好的接地要求盡量減少多電路公共接地阻抗上所產(chǎn)生的騷擾電壓，同時還要盡量避免形成不必要的地回路。

接地的基本目的有兩個，一是為信號電壓提供一個零電位參考點，稱為信號接地，接地的另一個目的是為了安全，稱為安全接地。安全接地就是把設(shè)備的外殼利用低阻導(dǎo)體連至大地（且一定是接到大地），以防止人員觸及設(shè)備外殼時產(chǎn)生電擊事故。電磁兼容技術(shù)的接地屬于信號接地，它不一定利用導(dǎo)體接于大地。一般情況下，信號接地點與安全接地點不應(yīng)為同一位置，否則信號端將會引入嚴(yán)重的干擾。

2）接地的基本方法

接地方法有三種基本形式：浮地、單點接地和多點接地，如圖1所示。這些方法可以單獨使用，也可在給定的設(shè)備及系統(tǒng)中組合使用（組合接地）。

圖1 基本的接地方法

單點接地是指在一個線路中，只有一個物理點被定義為接地參考點，其它各個需要接地的點都直接接到這一點上。但需注意，若系統(tǒng)的工作頻率較高，以致對應(yīng)的工作波長λ=c/f縮小到可與系統(tǒng)的接地平面的尺寸或接地引線的長度比擬時，就不能再用單點接地的方式了。這是因為，當(dāng)?shù)鼐�的長度接近于λ/4時，它更象一根終端短路的傳輸線，而不能起到“地”的作用。因此考察單點接地的效果時，必須分析存在于系統(tǒng)中的信號頻譜成份和干擾頻譜成分，其中特別要注意對脈沖頻譜的分析。

接地引線的長度必須小于λ/4，這僅是考慮到“地”作用的起碼要求，但實際究竟應(yīng)小到多少還要看允許電流通過該接地引線所產(chǎn)生的電壓降的大小。如果一個電路對此電壓降很敏感，則接地引線的長度不大于0.05λ或更��；如果只是一般的敏感，則接地引線可長些，但一般不超過0.15λ。

接地引線的阻抗與它相對于接地平面的相對位置有關(guān)。為了減少接地阻抗，接地引線的端頭應(yīng)平行搭接在接地平面上。

3）信號接地方式及其比較

信號接地是指信號電路的地線或有信號電流流過的地線。信號地線的接地方式如圖2所示。

圖2 信號地線的接地方式

共用地線串聯(lián)一點接地 通過對地線電阻的分析計算可以得出，從防止噪聲和抑制干擾的角度出發(fā)，這種接地方式是最不適用的。但由于它的線路比較簡單，用的場合仍然較多。當(dāng)各電路的電平相差不大時可以使用，使用時注意要把相對電平較低的電路放在距接地點最近的地方。而若各電路的電平相差較大，則不能使用這種接地方式。因為高電平電路將會產(chǎn)生很大的地電流，形成大的電位差并騷擾到低電平電路中。

獨立地線并聯(lián)一點接地 這種接地方式的各電路的地電位只與本電路的地電流及地線阻抗有關(guān)，不受其它電路的影響，所以它最適用于低頻電路。但由于這樣做時地線根數(shù)多，使用麻煩，結(jié)構(gòu)笨重，另外由于分別接地勢必增加地線長度，從而增加了地阻抗，引入較大的接地干擾。這種接地方式可能還會造成各地線相互間的電感耦合，且隨著頻率增加，地線阻抗、地線間的電感及電容耦合都會增加，因此這種接地方式不適合于高頻電路。當(dāng)頻率升高，特別是當(dāng)?shù)鼐�長度是1/4波長的奇數(shù)倍時，地線阻抗變得很高，地線變成了天線，向外輻射騷擾信號。所以一般地線長度不應(yīng)超過信號波長的1/20，以防止輻射發(fā)射，并降低地線阻抗。

獨立地線并聯(lián)多點接地 為了降低地線阻抗，在高頻段都使用多點接地方式，即電路中所有的地線分別連至最近的低阻抗公共地（一般是機(jī)殼）。為了降低電路的地電位，每個電路的地線應(yīng)盡可能縮短，以降低地線阻抗。在高頻時，由于集膚效應(yīng)，高頻電流只流經(jīng)機(jī)殼表面，即使加大機(jī)殼厚度也不能降低阻抗。為了在高頻時降低地線阻抗，通常要將地線和公共地鍍銀。另外，在導(dǎo)體截面積相同的情況下，為了減少電阻，常用矩形截面導(dǎo)體做成地線帶。

一般說來，頻率在1MHz以下可采用一點接地方式；當(dāng)頻率高于10MHz應(yīng)采用多點接地方式；而當(dāng)頻率在兩者之間，如用一點接地，其地線長度不得超過波長的1/20，否則應(yīng)用多點接地。

對接地系統(tǒng)的評價：一個好的接地系統(tǒng)，其上的兩點之間的電位與線路中任何功能部分的電位相比較，都可以忽略不計。一個差的接地系統(tǒng)，可使寄生電壓和電流耦合進(jìn)電路、組件或設(shè)備，會使屏蔽的很好的單元降低屏蔽效果，使性能良好的濾波器不能發(fā)揮其優(yōu)勢，而且產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾問題。

電路系統(tǒng)的組合接地 電路系統(tǒng)在低頻時多采用串并聯(lián)一點接地的綜合接法，即在符合噪聲標(biāo)準(zhǔn)和簡單易行的前提下統(tǒng)籌兼顧，分組接地。低電平電路經(jīng)一組共同地線接地，高電平電路經(jīng)另一組共同地線接地，甚至還有更多的分組地線接地。注意不要把功率相差很大、噪聲電平相差很大的電路接入同一組地線。

4）接地點的選擇

為了保證電路正常工作，同時又盡量減少接地干擾，必須恰當(dāng)?shù)剡x擇接地點的個數(shù)及接地點的位置。

放大器與信號源間接地點的選擇 宜單點接地，并選擇放大器的共同參考點作為接地點，而將信號源與地隔離，這樣做可以抑制噪聲干擾。

多級電路接地點的選擇 一般地說，電子設(shè)備中的低電平級電路是受干擾電路，因此接地點選擇在低電平級電路的輸入端。

高增益放大器屏蔽體接地點的選擇 高增益放大器常以金屬外殼作屏蔽，以防外來電場的干擾。屏蔽與接地須相互為用才能使干擾降至最低。為了這個目的及電路的穩(wěn)定性，屏蔽體必須接于放大器的共同參考線上。

低頻電纜屏蔽體接地點的選擇 低頻電路使用的電纜之外屏蔽導(dǎo)體也要單點接地。唯一可行的辦法是將未接地屏蔽層直接接于放大器的共同參考點。

同軸電纜與屏蔽絞線接地點的選擇 宜選擇單端接地。若兩端都接地，則因兩端地電位不可能相同使干擾的抑制效果較差。若技術(shù)上要求兩端都接地，則應(yīng)使一部分的地回路電流經(jīng)由低阻抗的屏蔽層，而不經(jīng)由同軸電纜的中心導(dǎo)體或信號絞線。若要得到更好的抗干擾能力，則可使用隔離變壓器、光電耦合裝置等以達(dá)到要求。

5）地線環(huán)路干擾及其抑制

由于兩接地點（多點接地時）間總不可避免地存在一定的阻抗，地電流在該公共阻抗上即產(chǎn)生地電壓。地電壓直接加到電路上成為騷擾電壓。這種干擾稱為地環(huán)路干擾。為了抑制地環(huán)路干擾，在設(shè)計中應(yīng)盡量減小公共接地阻抗，恰當(dāng)?shù)剡x擇接地點的位置，盡量減少地環(huán)路。此外還可以采取下列技術(shù)措施，以進(jìn)一步抑制地環(huán)路干擾。

浮地 完全的浮地可以徹底消除接地干擾和地環(huán)路干擾，但這種方法在許多情況下難以真正實現(xiàn)。

差分平衡電路 由于差分平衡器件是按照加于電路兩輸入端的電壓差值工作的。當(dāng)噪聲等量加于它的輸入端口時，則其輸出將不存在噪聲。所以利用差分平衡器件有助于減小接地電路干擾的影響。但實際上，差分器件或相關(guān)的整個電路中總會存在某些不平衡。增加差分放大器的輸入電阻和減少信號源內(nèi)阻可以相對減小噪聲輸出。

隔離變壓器 采用隔離變壓器可以起到抑制地環(huán)路干擾的作用。但是由于變壓器繞組之間存在分布電容，通過它仍可形成地環(huán)路。為提高隔離變壓器的抗干擾能力，有效的辦法是減小變壓器繞組間的分布電容。如果在變壓器繞組之間加電屏蔽可以有效地減小繞組間的分布電容。為防止地環(huán)路電壓通過屏蔽層與繞組間的分布電容耦合加至負(fù)載造成干擾，電屏蔽層應(yīng)接至負(fù)載的接地端。

縱向扼流圈 當(dāng)傳輸?shù)男盘栔杏兄绷鞣至炕蛴泻艿偷念l率分量時，就不能利用隔離變壓器，此時可用縱向扼流圈�？v向扼流圈是由兩個繞向相同、匝數(shù)相同的繞組（及磁芯）構(gòu)成，一般常用雙線并繞而成。信號電流在兩個繞組流過時方向相反，產(chǎn)生的磁場互相抵消，呈現(xiàn)低阻抗。所以扼流圈對信號電流不起扼流作用，也不切斷直流。地線中的騷擾電流（此處稱為縱向電流）流經(jīng)兩個繞組時方向相同，產(chǎn)生的磁場同向相加。所以扼流圈對地環(huán)路騷擾電流呈現(xiàn)高阻抗，可以起到抑制地環(huán)路干擾的作用。扼流圈的電感量L應(yīng)具有以下關(guān)系：L>>R_C/ω，式中ω為騷擾源的角頻率，R_C為扼流圈的繞組及連接導(dǎo)線的電阻。

光電耦合器 光電耦合器由一發(fā)光二極管和一光電三極管封裝在一起而成。光電耦合器的二極管引線作為前級電路的負(fù)載，其發(fā)光的強(qiáng)弱隨前級電路輸出信號電流的變化而變化。強(qiáng)弱變化的光使光電三極管的基極產(chǎn)生相應(yīng)變化的電流，以作為后級電路的輸入信號。光電耦合器完全切斷了兩個電路的地環(huán)路。這樣，光電耦合器的前級和后級電路的地電位即使不同，也不會造成干擾。光電耦合器對數(shù)字電路特別適用。而由于電流與光強(qiáng)的線性關(guān)系較差，若用它傳輸模擬信號則會產(chǎn)生較大的非線性失真，故光電耦合器此時的使用受到限制。

6）搭接

搭接是將兩個金屬構(gòu)件以低阻抗通路連接起來，如果其中一個金屬構(gòu)件是地平面，則這種搭接就是接地。良好的搭接是減少電磁干擾所必需的，因為良好的搭接可以減小設(shè)備電位差引起的干擾，同時使接地阻抗減小，這就減小了地電壓形成的環(huán)路干擾。此外，良好的塔接能使屏蔽、濾波等抑制干擾的設(shè)計目的得以實現(xiàn)。

在直流的情況下，搭接的有效性體現(xiàn)于搭接的直流電阻。直流電阻常用來說明搭接的質(zhì)量。一般規(guī)定其值為0.1mΩ以下，最大不得超過2.5mΩ。隨著頻率的提高，由于集膚效應(yīng)使這一電阻或阻抗提高。因此，在射頻頻段，搭接處出現(xiàn)的自感以及搭接面之間的電容都會對搭接的有效性產(chǎn)生影響。為了減小搭接的阻抗，應(yīng)盡量減小搭接條的長寬比，此比值一般不應(yīng)超過5。

搭接有直接搭接、間接搭接（有中間導(dǎo)體）和永久結(jié)構(gòu)（焊接、熔接、鍛造、鉚接等）。因為搭接片在高頻時呈現(xiàn)很大的阻抗，所以間接搭接不用于高頻。無論是直接搭接還是間接搭接，都要求首先對搭接面進(jìn)行凈化處理，有時還需要在其表面鍍銀或鍍金來使搭接面覆蓋良導(dǎo)電層。另外，有些情況下還要注意避免搭接可能出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象及化學(xué)電池作用。