電磁兼容設(shè)計(jì)

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1、引言

也是電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和認(rèn)證制度對(duì)產(chǎn)品的要求。電磁兼容性檢測(cè)認(rèn)證合格報(bào)告證書(shū)，是電子、電氣產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)*的一份通行證。一機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告指出，未進(jìn)行的電子、電氣產(chǎn)品，其電磁兼容性能指標(biāo)滿(mǎn)足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的可能性?xún)H為25%左右。

的理論基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)理論、電路理論和信號(hào)分析等。應(yīng)用中的包括接地技術(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(jì)等等。的基本方法有問(wèn)題解決法、規(guī)范法和系統(tǒng)法。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)和技術(shù)應(yīng)用（本刊九八年三月號(hào)《電磁兼容概論》已做過(guò)簡(jiǎn)要介紹）。

1）抑制電磁騷擾源的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

盡量去掉對(duì)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(gè)數(shù)；恰當(dāng)選擇元器件和線(xiàn)路的工作模式，盡量使設(shè)備工作在特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性區(qū)域，以使諧波成份降低；對(duì)有用的電磁發(fā)射或信號(hào)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(xiàn)的類(lèi)型和高度，不盲目追求覆蓋面積和信號(hào)強(qiáng)度；合理選擇電磁脈沖形狀，不盲目追求上升時(shí)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(diǎn)保護(hù)的開(kāi)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(lái)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(jì)要點(diǎn)

把攜帶電磁噪聲的元件和導(dǎo)線(xiàn)與連接敏感元件（或電磁騷擾特性測(cè)量端口、界面）隔離；縮短干擾耦合路徑的長(zhǎng)度，宜使導(dǎo)線(xiàn)盡量短，必要時(shí)使用屏蔽線(xiàn)或加屏蔽套；注意布線(xiàn)和結(jié)構(gòu)件的天線(xiàn)效應(yīng)，對(duì)通過(guò)電場(chǎng)耦合的輻射，盡量減少電路的阻抗，而對(duì)通過(guò)磁場(chǎng)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(jì)要點(diǎn)

對(duì)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(xiàn)路和結(jié)構(gòu)的合理布局等來(lái)抑制電磁干擾。此外，在設(shè)計(jì)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(diǎn)。它不一定是實(shí)際的大地，它可以是設(shè)備的外殼或其它金屬板、線(xiàn)。

“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(diǎn)通常是系統(tǒng)的一個(gè)電氣或電子元器（組）件，而另一點(diǎn)為“地”。

對(duì)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(hào)的公共電位參考點(diǎn)；理想的接地平面是零電阻的實(shí)體，電流在接地平面流過(guò)時(shí)沒(méi)有壓降，現(xiàn)實(shí)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(xiàn)間應(yīng)有大的分布電容，而平面本身的引線(xiàn)電感將是很小，理論上它必須能吸收所有信號(hào)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(shí)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(gè)，一是為信號(hào)電壓提供一個(gè)零電位參考點(diǎn)，稱(chēng)為信號(hào)接地，接地的另一個(gè)目的是為了安全，稱(chēng)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(shí)產(chǎn)生電擊事故。電磁兼容技術(shù)的接地屬于信號(hào)接地，它不一定利用導(dǎo)體接于大地。一般情況下，信號(hào)接地點(diǎn)與安全接地點(diǎn)不應(yīng)為同一位置，否則信號(hào)端將會(huì)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(diǎn)接地和多點(diǎn)接地，如圖1所示。這些方法可以單獨(dú)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(diǎn)接地是指在一個(gè)線(xiàn)路中，只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)，其它各個(gè)需要接地的點(diǎn)都直接接到這一點(diǎn)上。但需注意，若系統(tǒng)的工作頻率較高，以致對(duì)應(yīng)的工作波長(zhǎng)λ=c/f縮小到可與系統(tǒng)的接地平面的尺寸或接地引線(xiàn)的長(zhǎng)度比擬時(shí)，就不能再用單點(diǎn)接地的方式了。這是因?yàn)椋?dāng)?shù)鼐€(xiàn)的長(zhǎng)度接近于λ/4時(shí)，它更象一根終端短路的傳輸線(xiàn)，而不能起到“地”的作用。因此考察單點(diǎn)接地的效果時(shí)，必須分析存在于系統(tǒng)中的信號(hào)頻譜成份和干擾頻譜成分，其中特別要注意對(duì)脈沖頻譜的分析。

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

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

3）信號(hào)接地方式及其比較

信號(hào)接地是指信號(hào)電路的地線(xiàn)或有信號(hào)電流流過(guò)的地線(xiàn)。信號(hào)地線(xiàn)的接地方式如圖2所示。

圖2 信號(hào)地線(xiàn)的接地方式

共用地線(xiàn)串聯(lián)一點(diǎn)接地 通過(guò)對(duì)地線(xiàn)電阻的分析計(jì)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zui不適用的。但由于它的線(xiàn)路比較簡(jiǎn)單，用的場(chǎng)合仍然較多。當(dāng)各電路的電平相差不大時(shí)可以使用，使用時(shí)注意要把相對(duì)電平較低的電路放在距接地點(diǎn)zui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?yàn)楦唠娖诫娐穼?huì)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(dú)立地線(xiàn)并聯(lián)一點(diǎn)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(xiàn)阻抗有關(guān)，不受其它電路的影響，所以它zui適用于低頻電路。但由于這樣做時(shí)地線(xiàn)根數(shù)多，使用麻煩，結(jié)構(gòu)笨重，另外由于分別接地勢(shì)必增加地線(xiàn)長(zhǎng)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(huì)造成各地線(xiàn)相互間的電感耦合，且隨著頻率增加，地線(xiàn)阻抗、地線(xiàn)間的電感及電容耦合都會(huì)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€(xiàn)長(zhǎng)度是1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，地線(xiàn)阻抗變得很高，地線(xiàn)變成了天線(xiàn)，向外輻射騷擾信號(hào)。所以一般地線(xiàn)長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)信號(hào)波長(zhǎng)的1/20，以防止輻射發(fā)射，并降低地線(xiàn)阻抗。

獨(dú)立地線(xiàn)并聯(lián)多點(diǎn)接地 為了降低地線(xiàn)阻抗，在高頻段都使用多點(diǎn)接地方式，即電路中所有的地線(xiàn)分別連至zui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(gè)電路的地線(xiàn)應(yīng)盡可能縮短，以降低地線(xiàn)阻抗。在高頻時(shí)，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(shí)降低地線(xiàn)阻抗，通常要將地線(xiàn)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(xiàn)帶。

一般說(shuō)來(lái)，頻率在1MHz以下可采用一點(diǎn)接地方式；當(dāng)頻率高于10MHz應(yīng)采用多點(diǎn)接地方式；而當(dāng)頻率在兩者之間，如用一點(diǎn)接地，其地線(xiàn)長(zhǎng)度不得超過(guò)波長(zhǎng)的1/20，否則應(yīng)用多點(diǎn)接地。

對(duì)接地系統(tǒng)的評(píng)價(jià)：一個(gè)好的接地系統(tǒng)，其上的兩點(diǎn)之間的電位與線(xiàn)路中任何功能部分的電位相比較，都可以忽略不計(jì)。一個(gè)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(huì)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(shì)，而且產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾問(wèn)題。

電路系統(tǒng)的組合接地 電路系統(tǒng)在低頻時(shí)多采用串并聯(lián)一點(diǎn)接地的綜合接法，即在符合噪聲標(biāo)準(zhǔn)和簡(jiǎn)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(xiàn)接地，高電平電路經(jīng)另一組共同地線(xiàn)接地，甚至還有更多的分組地線(xiàn)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(xiàn)。

4）接地點(diǎn)的選擇

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

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

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

高增益放大器屏蔽體接地點(diǎn)的選擇 高增益放大器常以金屬外殼作屏蔽，以防外來(lái)電場(chǎng)的干擾。屏蔽與接地須相互為用才能使干擾降至zui低。為了這個(gè)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(xiàn)上。

低頻電纜屏蔽體接地點(diǎn)的選擇 低頻電路使用的電纜之外屏蔽導(dǎo)體也要單點(diǎn)接地。*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(diǎn)。

同軸電纜與屏蔽絞線(xiàn)接地點(diǎn)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(hào)絞線(xiàn)。若要得到更好的抗*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(xiàn)環(huán)路干擾及其抑制

由于兩接地點(diǎn)（多點(diǎn)接地時(shí)）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(chēng)為地環(huán)路干擾。為了抑制地環(huán)路干擾，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小公共接地阻抗，恰當(dāng)?shù)剡x擇接地點(diǎn)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 *的浮地可以*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(shí)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(shí)，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(shí)際上，差分器件或相關(guān)的整個(gè)電路中總會(huì)存在某些不平衡。增加差分放大器的輸入電阻和減少信號(hào)源內(nèi)阻可以相對(duì)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(guò)它仍可形成地環(huán)路。為提高隔離變壓器的抗*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(guò)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?hào)中有直流分量或有很低的頻率分量時(shí)，就不能利用隔離變壓器，此時(shí)可用縱向扼流圈。縱向扼流圈是由兩個(gè)繞向相同、匝數(shù)相同的繞組（及磁芯）構(gòu)成，一般常用雙線(xiàn)并繞而成。信號(hào)電流在兩個(gè)繞組流過(guò)時(shí)方向相反，產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相抵消，呈現(xiàn)低阻抗。所以扼流圈對(duì)信號(hào)電流不起扼流作用，也不切斷直流。地線(xiàn)中的騷擾電流（此處稱(chēng)為縱向電流）流經(jīng)兩個(gè)繞組時(shí)方向相同，產(chǎn)生的磁場(chǎng)同向相加。所以扼流圈對(duì)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(xiàn)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(xiàn)作為前級(jí)電路的負(fù)載，其發(fā)光的強(qiáng)弱隨前級(jí)電路輸出信號(hào)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(jí)電路的輸入信號(hào)。光電耦合器*切斷了兩個(gè)電路的地環(huán)路。這樣，光電耦合器的前級(jí)和后級(jí)電路的地電位即使不同，也不會(huì)造成干擾。光電耦合器對(duì)數(shù)字電路特別適用。而由于電流與光強(qiáng)的線(xiàn)性關(guān)系較差，若用它傳輸模擬信號(hào)則會(huì)產(chǎn)生較大的非線(xiàn)性失真，故光電耦合器此時(shí)的使用受到限制。

6）搭接

搭接是將兩個(gè)金屬構(gòu)件以低阻抗通路連接起來(lái)，如果其中一個(gè)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?yàn)榱己玫拇罱涌梢詼p小設(shè)備電位差引起的干擾，同時(shí)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(jì)目的得以實(shí)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(lái)說(shuō)明搭接的質(zhì)量。一般規(guī)定其值為0.1mΩ以下，zui大不得超過(guò)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(huì)對(duì)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(zhǎng)寬比，此比值一般不應(yīng)超過(guò)5。

搭接有直接搭接、間接搭接（有中間導(dǎo)體）和*結(jié)構(gòu)（焊接、熔接、鍛造、鉚接等）。因?yàn)榇罱悠诟哳l時(shí)呈現(xiàn)很大的阻抗，所以間接搭接不用于高頻。無(wú)論是直接搭接還是間接搭接，都要求首先對(duì)搭接面進(jìn)行凈化處理，有時(shí)還需要在其表面鍍銀或鍍金來(lái)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。