工業電子裝置的電磁干擾抑制措施

嚴剛峰 ，方 紅 ，楊 維 ，郭 兵

（1.成都大學 電子信息工程學院，成都 610106；2.四川大學 計算機學院，成都 610065）

電子電路的電磁兼容性設計，其主要內容包括控制電子裝置對環境的電磁傳導與發射干擾的水平，抑制現場環境的電磁傳導與發射干擾的能力，并使其達到使用的要求[1-3]。其中工業用電子電路，由于處理的大多是頻率不高的模擬電信號，即使處理數字信號，其邊沿時間也較長，因此工業用電子電路對環境的電磁傳導與發射干擾的強度低，與數字電路及其它低壓電氣設備產生的干擾相比，可以不加考慮[4-6]。這樣，工業用電子裝置的設計只需考慮在使用現場的電磁干擾環境中，具有足夠的抑制環境的電磁傳導與發射干擾的能力，以確保電路可靠安全的運行即可[7-8]。無論是何種電子或電氣設備的電磁兼容性設計總是圍繞干擾的產生、傳輸、入侵（或稱拾取）這3個環節[9]，針對干擾源、干擾傳輸途徑、干擾受體這3個對象展開的。因此，消除與降低現場環境對電子裝置的電磁傳導和發射干擾的設計，在原則上也是從降低干擾源的干擾強度、降低干擾源與干擾受體之間耦合的程度、降低干擾受體對干擾的靈敏度3個方面進行的[10-12]。一般來說，干擾受體可以是指一個電路、如一塊印制板電路等部件、一個裝置或設備、一個控制系統等，而干擾源是泛指干擾受體所處的干擾環境。

對工業電子設備與它所在裝置的電磁抗干擾能力加以分析，通過相應技術措施提高其抗干擾能力對于提高工業電子電路設備的工作可靠性，提高整個工業裝置的性能具有重要意義。下面結合工程經驗，就如何降低干擾源的干擾強度及其可以采取的技術措施加以闡述。

1 干擾傳輸的主要途徑

電子電路中干擾傳輸途徑主要有傳導與輻射，大量干擾實驗表明，裝置以外的干擾主要是通過引線侵入裝置的，而且侵入的主要是高頻干擾，而工業環境下產生的高頻干擾的頻率從幾千赫到幾百兆赫左右。干擾傳導的途徑主要有如下幾類。

（1）通過裝置與大地之間的寄生電容引入干擾，當供電電網的負荷發生突變或某裝置的電壓電流發生瞬變時，在負荷突變或電壓電流瞬變處的供電線或信號傳輸線與大地之間將產生瞬時過電壓（高頻振蕩電壓），形成了一個干擾源，這個干擾電壓經過與被干擾裝置連結的供電線或輸入輸出信號線、被干擾裝置與大地之間的寄生電容、再經大地仍回到干擾源。這一類干擾主要是通過被干擾裝置與大地之間的寄生電容進行傳導的；

（2）通過裝置供電線與信號線之間、信號線與信號線之間的分布電容與分布電感引入干擾，當某一供電線或信號線中發生瞬變高頻電壓電流時，它將通過分布電容與分布電感耦合到相鄰線中，形成干擾電流；

（3）通過干擾源與受干擾裝置之間的漏電阻引入干擾，干擾強度與干擾源電壓成正比的干擾，它是通過干擾源與受干擾裝置之間的漏電阻引入的；

（4）通過公共線上的公共阻抗引入干擾。

2 抑制干擾源產生干擾的主要技術措施

2.1 抑制電壓、電流瞬變產生干擾的技術措施

引起電壓或電流瞬變的原因很多，常見的有切換容性負載引起的浪涌電流、切換感性負載引起的浪涌電壓、切換大功率負載引起的沖擊電流、數字處理與邏輯控制裝置中的大量邏輯組件狀態同時翻轉引起的瞬變電流可達107A/s）與瞬變電壓可達108V/s）等。降低或消除由電壓電流瞬變產生干擾的有效技術措施是降低電流、電壓的變化率，這對于不同的產生原因，可采用如下相應的不同措施。

1）抑制電流瞬變干擾源產生的浪涌干擾電壓的措施

在圖1所示電路中，示意了阻容續流電路分別與感性負載并接，如圖中R1、C1；與開關并接，如圖中R2、C2；同時與感性負載、開關并接的方法，如圖中R3、C3。如果負載與開關靠近時，推薦采用并接R3、C3。當然，這3種并接方法也可以同時采用，效果會更好。

圖1 阻容續流電路Fig.1 Freewheeling circuit of RC

如果接通與斷開電感負載L的是直流電源，則常采用圖2電路中的二極管續流電路，與二極管D串聯的電阻RD的選擇原則為：RD越小、抑制干擾的效果越好，但電感中的電流下降到0的時間越長，其時間常數為 L/（RL+RD）。因此當對快速性有要求時，RD的大小應折衷選擇。在該電路中，電源VCC對電感L充電的時間常數為L/RL。

圖2 二極管續流電路Fig.2 Freewheeling circuit of diode

2）抑制電壓瞬變干擾源產生的浪涌干擾電流的措施

圖3 切換電容性負載的限流電路Fig.3 Current limiting circuit of switching capacitive load

當開關斷開時電源+E對電容C充電，其充電限流電阻在圖 3 的（a）、（c）中為 Rc，最大的充電電流為E/Rc，充電時間常數為RcC；限流電阻在圖3的（b）中為（Rc+RT），最大的充電電流為 E/（Rc+RT），充電時間常數為C（Rc+RT）。當開關接通時電容C經開關放電時，圖3中（a）為恒流放電，放電電流等于其中Vbe是三極管的基極與發射極的正向壓降；圖 3中（b）、（c）電路的放電限流電阻為RT，最大的放電電流為E/RT，放電時間常數為CRT。如果接通與斷開電容性負載C的是交流電源，則可采用電容端電壓過零時同步切換的方法來抑制瞬變浪涌干擾電流的產生。

3）其它情形產生的浪涌干擾電流的抑制措施

在突然接通電動機、接觸繼電器線包、白熾燈等非容性負載時也會產生瞬變浪涌沖擊電流，其峰值可達正常工作電流的2～10倍。針對不同對象與使用場合，可采用相應的抑制浪涌沖擊電流的方法，常見的有：

（1）采用電動機軟啟動來降低啟動電流，還可在電動機供電接入端串接低通濾波、雙線（入線與出線）并繞環形磁蕊，或并接阻容吸收電路等方法來抑制干擾；

（2）白熾燈可加預熱電阻來降低接通沖擊電流；

（3）切換大電流交流負載時，一般可采用在該負載的電流為零或其交流供電電源的電壓過零時，進行同步切換的方法來抑制浪涌干擾電流的產生，也可采取切換瞬間接入限流電阻的方法等；

（4）采用適當減慢電子開關（如可控硅、大功率三極管等）的開關速度的方法，抑制浪涌沖擊電流干擾的產生等。

另外，由于數字處理與邏輯控制裝置中的邏輯組件大多在時鐘同步下工作，因此大量邏輯組件的狀態同時瞬間切換而產生瞬變電流與瞬變電壓的干擾是必然的，因此除適當降低時鐘頻率與延長狀態切換時間以外，一般只能從抑制干擾的傳播方面采取相應技術措施。

2.2 抑制信號傳輸時發生波形畸變的技術措施

由于畸變信號中含有豐富的高次諧波，會在信號線間引起串擾。因此，這就形成了一個干擾源。雖然無畸變線對行波不會引起畸變，但由于線路終端的反射還會使實際電壓電流波形產生畸變。所以為了避免信號在無畸變線中傳輸時發生波形畸變，還必須滿足負載與傳輸線對的波阻抗的匹配。信號如果在傳輸線中傳送時，由于傳輸線偏離無畸變條件，會引起信號波形的畸變，同時由于傳輸線的負載阻抗偏離匹配值能引起信號在傳輸線的終端與始端間多次反射，也會使信號波形產生畸變。當畸變嚴重時，甚至會產生振鈴現象，這不但影響信號的正確傳送，而且由于畸變信號中含有豐富的高次諧波，會在信號線間引起串擾，于是就形成了一個干擾源。另外，如果方波邊沿的時間為tr（幅度由10%至90%之間所需的時間，也稱為信號瞬變時間），則可包含的諧波頻率從基波頻率直到f=1/（3.4tr）左右，例如邊沿時間為 5 ns時，至少包含從基波頻率直到60 MHz的諧波成分。經驗表明：當傳輸線的長度達到或超過行波波長的十五分之一左右時，必須進行終端負載阻抗的匹配。

綜合上述可知，抑制反射波干擾的技術措施主要有：

（1）盡量降低信號的頻率，增長信號邊沿的瞬變時間；

（2）根據傳輸信號的頻率范圍與傳輸功率，選用參數適宜的均勻線（如扭花均勻的雙絞線、屏蔽線等）作為信號的傳輸線對，在印制走線時，應合理選擇信號走線路徑，以盡量降低傳輸線對信號波形的畸變；

（3）在傳送模擬信號時，由于頻率不高或信號電壓瞬變較緩，加上在機柜內或印制板內走線不長，所以一般可不考慮傳輸線路的終端負載的阻抗匹配。但在數字邏輯控制中則不然，由于信號頻率高、信號瞬變時間極短，甚至在印制板中的走線不作負載匹配，也會形成一個干擾源，嚴重地干擾在同個箱柜內或同塊印制板，甚至同芯片的其它信號（如模擬信號），因而根據具體情況必須采取相應的負載匹配方案，如圖4所列。

圖4 邏輯電路之間信號傳送的負載匹配方案Fig.4 Load matching scheme of signal transmission between logic circuits

圖4（a）所示的匹配方案1的優點是簡單，考慮到信號接收器的輸入值抗后，電阻R2的取值可略大于傳輸線的波阻抗，可取200 Ω左右，該方案的缺點是對信號的高電平有損失，并增大了信號源的拉出電流；圖4（b）所示的匹配方案2的優點也是簡單，電阻R1的取值也可為200 Ω左右，該方案的缺點是由于增大了對信號源的灌入電流，抬高了信號的低電平；圖4（c）的方案3兼顧了方案1、2的優缺點，由于電阻R1與電阻R2的并聯為200 Ω 左右，這樣，電阻值 R1、R2的取值要分別比方案1、2中的大得多，這樣對信號的高、低電平的影響要比方案 1、2小得多；圖 4（d）的方案 4中的電阻R2取值范圍為 120 Ω～180 Ω，電容 C取 3300 pF左右，該方案的匹配效果較好，可優先予以選用；圖4（e）是始終匹配方案，電阻R的取值范圍為51 Ω～75 Ω之間，缺點之一是較大地抬高了終端的低電平，另外它只能抑制二次及以上的反射。雖然采取了負載匹配等抑制反射的措施，特別是信號在長線傳輸時，仍會產生不可忽視的過沖電壓，因此，常常還要在接收端采取圖4（f）所示的保護措施。

（4）當一個信號源要與多個負載連接時，如果信號源的負載能力許可，應優先采用星型連接方式，并在每個負載端加上終端匹配電路；如果信號源的負載能力不許可，或受走線空間限制，特別是在印制板內走線時，可采用串接各負載的環型連接方式，把輸入阻抗較高的負載放在中間節點上，在最終的一個節點上加上終端匹配電路，這種匹配方式，雖然效果較星型連接較差，但當負載輸入阻抗較高、信號頻率不太高的情況下，還是可行的。

2.3 其它干擾源的干擾抑制措施

（1）靜電干擾的抑制

靜電干擾是在高壓電路附近產生的感應干擾。抑制方法是把干擾源用導電性良好的，如鋁、銅之類金屬板、網（對于幾千赫以上的高頻干擾源可用金屬網），屏蔽起來，如果對干擾源屏蔽不可能，則可對干擾受體進行整體屏蔽。

（2）交變電磁場干擾源產生電磁場干擾的抑制

變壓器、電感器、高頻發生裝置、傳送大瞬變電流的導線與線圈等干擾源產生的交變電磁場干擾的抑制方法之一是采用電磁屏蔽措施，阻斷電磁干擾的傳播，二是降低干擾源產生電磁干擾的強度，例如變壓器和線圈采用平衡繞制如圖5（b）所示，而不宜簡單地采用圖5（a）所示的不平衡繞制，通過減慢電流電壓瞬變速度來盡量降低交變諧波頻率與幅度等。平衡繞制時，二個對稱的半繞組對于有用信號的磁通是相加的，但對干擾磁通引起的干擾電勢則是互相抵消的。

圖5 變壓器繞組和線圈平衡繞制法示意圖Fig.5 Balance winding diagram of transformer’s windings and coil

（3）觸點切斷、接通時產生高頻火花干擾的抑制

熄滅火花的設計原則為：確保觸點斷開、接通瞬間觸點間的電壓小于點火電壓，不產生弧光、輝光放電，觸點之間電壓變化率小于觸點之間的絕緣程度，觸點閉合時不引起電腐蝕。

對于邏輯控制中的觸點，可在觸點之間接入由電容C與電阻R串接的熄火花電路，電阻R=V2/140，V 為接通的直流電壓，電容 C 在（0.1～1）μF 之間選擇，電壓高時R宜大、C宜小，電壓低（100 V以下）時R宜小、C宜大；為了保證觸點工作可靠，其切換電壓10～50 V，電流5～20 mA為宜，并宜采用常開觸點，這是因為常開觸點在繼電器意外失電時能自動發出報警信號，同時常閉觸點容易受到機械振動沖擊而瞬間斷開。

在低壓電氣控制裝置中的控制開關、交流接觸器觸點之間應加接RC阻容吸收回路，繼電器觸點之間也應加上 R（220 Ω）C（0.47 μF）吸收回路。

（4）觸點切換瞬間抖動的消除

如果該觸點狀態作為I/O點被數字處理器采樣，則可用軟件的方法來防止觸點抖動引起的不可靠。也可通過RC阻容低通濾波（如積分電路）消振，用單穩態觸發器、R-S觸發器、施密特觸發器接收觸點狀態等硬件的辦法來處理。

（5）電動機碳刷產生的火花、可控硅通斷產生干擾的抑制可在電動機與其供電電源之間的靠近電動機側、在可控硅開關與負載之間的靠近可控硅開關側，串接入低通濾波器與雙線繞制的環形磁蕊噪聲抑制器可有效地抑制干擾。

（6）溫差熱電勢等接觸噪聲電壓的抑制

在小信號模擬電路中，接觸電勢干擾往往被忽視，應選用接觸電勢小的材料作為連接件，應包括元器件的引腳、焊料等。

3 結語

對于工業用電子設備，如何在電路設計過程中降低各類電磁干擾源的干擾強度以減小干擾對工業電子系統的影響，本身是一個極其復雜的工程問題。

本文結合工程實踐經驗，從干擾傳輸的主要途徑出發，分析了干擾源產生干擾的主要原因，特別是對電壓、電流瞬變干擾源產生的干擾，信號傳輸時發生波形畸變產生的干擾以及工業現場常見設備引入的干擾提出了具體的抑止措施，為工業電子系統設計過程中，如何降低干擾信號的強度，減小其對電路的影響提供了一定的參考。

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