電磁兼容的概念及設(shè)計(jì)方法

5.2 對(duì)電磁干擾可能傳播的路徑的設(shè)計(jì)方法

5.2.1 電路性耦合

當(dāng)兩個(gè)電路存在公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路的電參數(shù)通過公共阻抗對(duì)另一個(gè)電路的電參數(shù)產(chǎn)生了影響。而這種影響造成誤動(dòng)作時(shí)，即為通過電路性耦合的路徑產(chǎn)生的電磁干擾。公共阻抗主要有共回路導(dǎo)線、共地阻抗和共電源內(nèi)阻。

電路性耦合的電磁兼容設(shè)計(jì)方法是

1）對(duì)共電源內(nèi)阻產(chǎn)生的電磁干擾，可以用不同的電源分別供電的方法，以去除共電源內(nèi)阻產(chǎn)生的電路性耦合。

2）對(duì)共回路導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁干擾，可以用對(duì)導(dǎo)線阻抗加以限制或去耦的方法，以減低共回路導(dǎo)線產(chǎn)生的電路性耦合。共回路導(dǎo)線的阻抗包括電阻和電感。

——限制電阻的方法增大共回路導(dǎo)線的截面、減小共回路導(dǎo)線的長(zhǎng)度和降低接觸電阻；

——限制電感的方法減小共回路導(dǎo)線的長(zhǎng)度和來回線的距離；

——電路去耦的方法去掉共回路導(dǎo)線，而將不同的回路僅在一點(diǎn)連接。

3）對(duì)共地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾，可以用降低共地阻抗的方法，以去除共地阻抗產(chǎn)生的電路性耦合。

——接地的種類和作用

電子設(shè)備一般有兩種接地。一種是安全接地，即將機(jī)殼接地，當(dāng)機(jī)殼帶電時(shí)，電源的保護(hù)動(dòng)作，切斷電源，以保護(hù)工作人員的安全；另一種是工作接地，給電路系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)電位，同時(shí)也可將高頻干擾引走。但是，不正確的工作接地反而會(huì)增加干擾，比如共地線干擾，地環(huán)路干擾等等。

工作接地按工作頻率采用不同的接地方式。工作頻率低的（小于1MHz）采用單點(diǎn)接地式，即把整個(gè)電路系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)點(diǎn)看作接地參考點(diǎn)，所有對(duì)地連接都接到這一點(diǎn)上，并設(shè)置一個(gè)安全接地螺栓；工作頻率高的（大于30MHz）采用多點(diǎn)接地式，即在該電路系統(tǒng)里，用一塊接地平板代替電路中每部分各自的地回路。其主要原因是接地引線的感抗與頻率和長(zhǎng)度成正比，工作頻率高時(shí)將增加共地阻抗，從而將增大共地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾。工作頻率在上述兩者之間的可采用混合接地式。

此外，還有一種浮地式，即該電路的地與大地?zé)o導(dǎo)體連接。其優(yōu)點(diǎn)是該電路不受大地電性能的影響。其缺點(diǎn)是該電路易受寄生電容的影響，而使該電路的地電位變動(dòng)和增加了對(duì)模擬電路的感應(yīng)干擾。

——對(duì)接地電阻的要求

接地電阻越小越好。因?yàn)楫?dāng)有電流流過接地電阻時(shí)，其上產(chǎn)生的電壓，將產(chǎn)生共地阻抗的電磁干擾。另外，該電壓不僅使設(shè)備受到反擊過電壓的影響，而且使操作人員受到電擊傷害的威脅。因此，一般要求接地電阻小于4Ω。

接地電阻由接地線電阻、接觸電阻和地電阻組成。為此降低接地電阻的方法有以下三種：

一是降低接地線電阻，為此要用總截面大和長(zhǎng)度小的多股細(xì)導(dǎo)線。

二是降低接觸電阻，為此要將接地線與接地螺栓和接地極作緊密又牢靠地連接，并要增加接地極和土壤之間的面積與接觸的緊密度。

三是降低地電阻，為此要增加接地極的表面積和增加土壤的電導(dǎo)率（如在土壤中注入鹽水）。

——低頻電路地

工作頻率低于1MHz的一個(gè)電路采用單點(diǎn)接地式，以防兩點(diǎn)接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合。多個(gè)電路的單點(diǎn)接地式又分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種，由于串聯(lián)接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合，所以低頻電路最好采用并聯(lián)的單點(diǎn)接地式。

為防止工頻和其它雜散電流在信號(hào)地線上產(chǎn)生干擾，信號(hào)地線應(yīng)與功率地線和機(jī)殼地線相絕緣。且只在功率地、機(jī)殼地和接往大地的接地線的安全接地螺栓上相連（浮地式除外）。

地線的長(zhǎng)度（L/m）與截面積（S/mm2）的關(guān)系為

S>0.83L （11）

——高頻電路地

工作頻率高于30MHz的電路采用多點(diǎn)接地式。因?yàn)榻拥匾€感抗與頻率和長(zhǎng)度成正比，所以地線的長(zhǎng)度要盡量短。多點(diǎn)接地時(shí)，盡量找最接近的低阻值接地面接地。

——混合接地式

工作頻率介于1～30MHz的電路采用混合接地式。當(dāng)接地線的長(zhǎng)度小于工作信號(hào)波長(zhǎng)的1/20時(shí)，采用單點(diǎn)接地式，否則采用多點(diǎn)接地式。

——屏蔽地

電路的屏蔽體，即用屏蔽材料將電磁輻射源屏蔽起來，并將屏蔽體接地，以降低電磁輻射的干擾。屏蔽體內(nèi)的電路地線只能一點(diǎn)接屏蔽體，而不得利用屏蔽體作返回導(dǎo)體。

——電纜的屏蔽層

對(duì)于多層屏蔽電纜，每個(gè)屏蔽層應(yīng)在一點(diǎn)接地，各屏蔽層應(yīng)相互絕緣。

當(dāng)電纜長(zhǎng)度大于工作信號(hào)波長(zhǎng)的0.15倍時(shí)，采用間隔工作信號(hào)波長(zhǎng)的0.15倍的多點(diǎn)接地式。如果不能實(shí)現(xiàn)，則至少應(yīng)將屏蔽層兩端接地。

4）電位隔離

電位隔離分為機(jī)械、電磁、光電和浮地幾種隔離方式，其實(shí)質(zhì)是人為地造成電的隔離，以阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。

——機(jī)械隔離采用繼電器來實(shí)現(xiàn)其線圈接收信號(hào)，機(jī)械觸點(diǎn)發(fā)送信號(hào)。機(jī)械觸點(diǎn)分?jǐn)鄷r(shí)，由于阻抗很大、電容很小，從而阻止了電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。缺點(diǎn)是線圈工作頻率低，不適合于工作頻率較高的場(chǎng)合使用。而且存在觸點(diǎn)通斷時(shí)的彈跳和干擾以及接觸電阻等。

——電磁隔離采用變壓器來實(shí)現(xiàn)通過變壓器傳遞電信號(hào)，阻止了電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。對(duì)于交流的場(chǎng)合使用較為方便，由于變壓器繞組間分布電容較大，所以使用時(shí)應(yīng)當(dāng)與屏蔽和接地相配合。

——光電隔離采用光電耦合器來實(shí)現(xiàn)通過半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的光發(fā)射和光敏半導(dǎo)體（光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等）的光接收，來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞。光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器輸入端的干擾電壓較小，而且一般干擾源的內(nèi)阻較大，它所能提供的電流并不大，因此不能使發(fā)光二極管發(fā)光。光電耦合器的外殼是密封的，它不受外部光的影響。光電耦合器的隔離電阻很大（約1012Ω），隔離電容很小（約數(shù)pF）能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。只是光電耦合器的隔離阻抗隨著頻率的提高而降低，抗干擾效果也將降低。

——浮地浮地可使功率地（強(qiáng)電地）和信號(hào)地（弱電地）之間的隔離電阻很大，所以能阻止共地阻抗電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。

5.2.2 電容性耦合

任何兩個(gè)導(dǎo)體之間都存在著電容。電容值與介質(zhì)的介電常數(shù)ε和兩個(gè)導(dǎo)體的有效面積成正比、與兩個(gè)導(dǎo)體之間的距離D成反比。當(dāng)兩個(gè)平行圓導(dǎo)體直徑為d時(shí)，其電容C為

C=πε/ln(D/d) （12）

當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體對(duì)地具有電位U1，阻抗Z1，另一個(gè)導(dǎo)體對(duì)地具有阻抗Z2，兩個(gè)導(dǎo)體具有相同地電位，通過兩個(gè)導(dǎo)體之間的電容，在另一個(gè)導(dǎo)體上將產(chǎn)生干擾電壓U2為

U2=U1Z2/（Z1＋Z2＋1/jωC） （13）

當(dāng)阻抗Z1和阻抗Z2中含有電感分量時(shí)，產(chǎn)生的干擾電壓U2有可能大于導(dǎo)體1對(duì)地的電位U1。

電容性耦合的等值電路圖見圖1。

圖 1 電 容 性 耦 合 的 等 值 電 路 圖

在上述分析中，兩導(dǎo)線間的有效耦合長(zhǎng)度應(yīng)遠(yuǎn)小于信號(hào)波長(zhǎng)（一般為1/10）時(shí)，才允許使用集中參數(shù)的等效電路來分析線間耦合，否則必須應(yīng)用電磁場(chǎng)理論的傳輸方程來分析線間耦合。

電容性耦合的電磁兼容設(shè)計(jì)方法是

1）盡可能減小干擾源U1的幅值和干擾源的變化速度ω。

2）Z1和Z2設(shè)計(jì)得盡可能大，且Z1遠(yuǎn)大于Z2。

3）耦合電容設(shè)計(jì)得盡可能小

——盡量加大兩個(gè)導(dǎo)體間的距離；

——盡量縮短兩個(gè)導(dǎo)體的長(zhǎng)度；

——盡量避免兩個(gè)導(dǎo)體平行走線。

4）屏蔽

屏蔽的目的切斷干擾源和被干擾對(duì)象之間的電力線，以免除電容性耦合的電磁干擾。

屏蔽的方法采用與干擾源基準(zhǔn)電位相連的屏蔽；采用與被干擾對(duì)象基準(zhǔn)電位相連的屏蔽；或者上述兩者都用，其效果更好。

屏蔽的注意事項(xiàng)

——要有完整的屏蔽，否則屏蔽的效果降低；

——要用導(dǎo)電性能好的材料作屏蔽，否則屏蔽的效果降低；

——要有良好的屏蔽接地，否則屏蔽的效果降低。當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度小于工作信號(hào)波長(zhǎng)的1/20時(shí)，采用單點(diǎn)接地式，否則采用多點(diǎn)接地式。接地線的長(zhǎng)度要盡量短。

5）平衡

平衡的目的當(dāng)干擾源和被干擾對(duì)象的基準(zhǔn)電位是互相獨(dú)立時(shí)，可以采用平衡的方法，即使干擾源和被干擾對(duì)象的耦合電容平衡，以免除電容性耦合的電磁干擾。

平衡的方法

——干擾源和被干擾對(duì)象均采用絞合導(dǎo)線；

——采用四芯導(dǎo)線，使干擾源和被干擾對(duì)象的導(dǎo)線交叉對(duì)稱。

5.2.3 電感性耦合

任何兩個(gè)回路之間都存在著互感?；ジ兄蹬c介質(zhì)的磁導(dǎo)率μ成正比，并與兩個(gè)回路的幾何尺寸有關(guān)。兩個(gè)回路的布局如圖2所示。

圖2 兩 個(gè) 回 路 的 布 局 圖

圖中1～1為第一個(gè)回路，2～2為第二個(gè)回路，a、b、c、d為回路的間距。另外設(shè)l為回路的長(zhǎng)度。

兩個(gè)回路的互感M為

M=μlln（ac/bd）/2π （14）

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)回路具有電流i1，通過兩個(gè)回路之間的互感M，在第二個(gè)回路上產(chǎn)生的干擾電壓u2為

u2=Mdi1/dt （15）

電感性耦合的電磁兼容設(shè)計(jì)方法是

1）盡可能減小干擾源電流i1的變化速度。

2）盡可能設(shè)計(jì)得使兩個(gè)回路的互感M小，為此

——盡量加大兩個(gè)回路間的距離；

——盡量縮短兩個(gè)回路的長(zhǎng)度；

——盡量避免兩個(gè)回路平行走線；

——盡量縮小兩個(gè)回路的面積，并減低重合度。

3）屏蔽

屏蔽的目的切斷干擾源和被干擾對(duì)象之間的磁力線，以免除電感性耦合的電磁干擾。

屏蔽的方法采用鐵磁性導(dǎo)體的靜態(tài)磁屏蔽，采用良導(dǎo)體感應(yīng)渦流的動(dòng)態(tài)磁屏蔽。