基于接地、屏蔽、濾波等手段探究設(shè)備電磁兼容問(wèn)題解決策略

白雪敏，謝 然，張進(jìn)波，于 江，張鳳霞，周化鵬，孫久會(huì)

（中國(guó)人民解放軍31107部隊(duì)，江蘇 南京 210000）

0 引 言

設(shè)備、系統(tǒng)在同一個(gè)電磁環(huán)境下會(huì)共同執(zhí)行相應(yīng)的功能并且實(shí)現(xiàn)共存的狀態(tài)[1]，即電子設(shè)備以及電子系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)樵谙嗤碾姶怒h(huán)境下其他設(shè)備的電磁作用而引起性能降低或者失效，也不會(huì)造成相同電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備以及電子系統(tǒng)由于電磁作用產(chǎn)生性能降低或者失效[2]。因此，本文將針對(duì)電子設(shè)備的電磁兼容問(wèn)題提出解決方案。

1 電磁干擾的主要形式

電子系統(tǒng)面臨的電磁環(huán)境具有一定的復(fù)雜性。根據(jù)實(shí)際的使用情況，電磁干擾根據(jù)工作的頻率差異可以分為不同的種類(lèi)與形式[3]。例如，一般電網(wǎng)中會(huì)出現(xiàn)諧波信號(hào)電壓波動(dòng)、電網(wǎng)頻率變化、低頻感應(yīng)電壓、電壓失衡以及電壓供電波動(dòng)下降、中斷等，從而引發(fā)低頻傳導(dǎo)干擾、磁場(chǎng)以及電場(chǎng)的低頻輻射干擾。因?yàn)楦袘?yīng)連續(xù)波電壓電流的震蕩瞬變和單向的瞬變會(huì)導(dǎo)致高頻傳導(dǎo)干擾、電磁場(chǎng)干擾以及磁場(chǎng)核電場(chǎng)造成的高頻輻射干擾，且材料具有絕緣性，因此會(huì)造成靜電放電導(dǎo)致干擾。

電子系統(tǒng)抗干擾能力分析過(guò)程中，一定要對(duì)系統(tǒng)特點(diǎn)以及使用環(huán)境展開(kāi)分析。電子電路系統(tǒng)中通常存在以下幾種電磁干擾情況：存在電路回路出現(xiàn)公共阻抗耦合情況，造成電路互相干擾；干擾源和受干擾對(duì)象之間具備可以變化的電場(chǎng)，在電容耦合的情況下導(dǎo)致電容干擾；電壓產(chǎn)生干擾。空間電磁波在電場(chǎng)以及磁場(chǎng)上的強(qiáng)度發(fā)生變化，很大程度上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)引發(fā)傳導(dǎo)電流以及傳導(dǎo)電壓產(chǎn)生干擾。交變磁場(chǎng)的干擾源會(huì)導(dǎo)致電流產(chǎn)生變化，引發(fā)電感性元件出現(xiàn)感應(yīng)電壓而造成電感干擾。

2 電磁干擾的傳播方式

電磁干擾傳播的路徑通常分為傳導(dǎo)的干擾方式和空間的干擾方式兩種形式，其中空間干擾又可以分為輻射耦合干擾和感應(yīng)干擾[4]。

所有條件下的電磁干擾之所以會(huì)產(chǎn)生，勢(shì)必會(huì)存在干擾能量的傳輸以及傳輸?shù)穆窂交蛘咄ǖ馈Ｒ话闱闆r下認(rèn)為，電磁干擾傳輸主要分為傳導(dǎo)傳輸?shù)男问胶涂臻g傳輸?shù)男问絻煞N形式。分析干擾對(duì)象的敏感器方面，干擾耦合又可以分成傳導(dǎo)耦合和輻射耦合兩種形式。

傳導(dǎo)傳輸一定是在干擾源和受干擾對(duì)象之間具備的完整電路連接。干擾信號(hào)會(huì)順著連接電路傳導(dǎo)至受干擾對(duì)象，從而產(chǎn)生一定的干擾作用。傳輸?shù)碾娐分饕蓪?dǎo)線、電子設(shè)備導(dǎo)電元件、供電元件、公共阻抗、接地平板、電阻電感以及電容等元件組成。

輻射傳輸是借助介質(zhì)以電磁波的方式進(jìn)行傳播，干擾產(chǎn)生的能量根據(jù)電磁場(chǎng)的規(guī)律擴(kuò)散到周?chē)臻g。通常情況下，輻射耦合分為以下3種形式：（1）A天線發(fā)射的電磁波在意外情況下被B天線所接收，被稱為天線間的耦合；（2）空間電磁場(chǎng)會(huì)順著導(dǎo)線產(chǎn)生感應(yīng)，進(jìn)而出現(xiàn)耦合情況，稱為電磁場(chǎng)與天線間的耦合；（3）兩個(gè)處于平行狀態(tài)的導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生高頻率的信號(hào)感應(yīng)，稱為導(dǎo)線之間的感應(yīng)耦合[5]。

具體的工作過(guò)程中，兩臺(tái)電子設(shè)備之間出現(xiàn)干擾，包括了很多方式的耦合。因?yàn)槎喾N方式的耦合同時(shí)出現(xiàn)，耦合情況出現(xiàn)反復(fù)交叉的現(xiàn)象，加大了對(duì)電磁干擾的控制難度。

3 電磁兼容性以及設(shè)計(jì)原理

3.1 電磁的兼容性

電氣以及電子設(shè)備已經(jīng)成為現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的部分，在各行各業(yè)逐漸廣泛使用。此外，電子設(shè)備的聯(lián)接也逐漸復(fù)雜，功率的提升加上數(shù)量的上漲，促使企業(yè)和社會(huì)對(duì)電子設(shè)備的要求不斷提升。隨著頻帶的逐漸加寬，設(shè)備的靈敏度逐漸提升，電磁兼容性問(wèn)題急需得到有效解決。電磁兼容主要指在電磁環(huán)境下所有的因素都不能夠?qū)﹄娮釉O(shè)備以及電子系統(tǒng)造成無(wú)法承受的電磁干擾作用，且電子設(shè)備以及電子系統(tǒng)能夠保持正常的工作狀態(tài)[6]。電磁兼容技術(shù)主要應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)、電子、加工生產(chǎn)以及軍工等方面，是正在不斷發(fā)展與進(jìn)步的綜合類(lèi)學(xué)科。電磁兼容的相關(guān)研究主要是在有限的空間、時(shí)間以及頻譜資源情況下，不同的電子設(shè)備以及電子系統(tǒng)能夠在相同電磁環(huán)境下共存，且不對(duì)其他設(shè)備造成任何影響。通過(guò)對(duì)電磁兼容的定義可知，電磁兼容的內(nèi)涵為設(shè)備對(duì)同電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備不會(huì)造成無(wú)法承受的干擾，并且自身不會(huì)受到其他電子設(shè)備的干擾導(dǎo)致失效。電磁兼容性的研究十分廣泛，目前研究的重點(diǎn)是電磁干擾源自身的特點(diǎn)，同時(shí)電磁發(fā)生的程度、干擾原理、電磁干擾的解決辦法以及電磁干擾的特點(diǎn)等也取得了一定的研究成果。在電子設(shè)備本身抗干擾行性能上展開(kāi)研究，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用也至關(guān)重要。電磁兼容性的相關(guān)研究主要包含了自然因素和人為因素等電磁干擾源的影響因素，如閃電、靜電等都屬于自然電磁干擾源。

3.2 抗電磁干擾設(shè)計(jì)的原理

產(chǎn)生電磁干擾需要滿足以下幾方面因素：一定要具備干擾源，否則無(wú)法對(duì)電子設(shè)備造成電磁干擾；具備傳播電磁干擾的路徑；電子設(shè)備能夠接收到干擾信號(hào)，同時(shí)對(duì)電子設(shè)備的正常運(yùn)行造成一定影響。在電子設(shè)備受到干擾的情況下，采取技術(shù)手段能夠消除電磁干擾對(duì)電子設(shè)備造成的影響。

電子設(shè)備中高頻率干擾十分突出，因此需要采取手段控制電子設(shè)備發(fā)出的射頻能量，最大程度上降低對(duì)其他電子設(shè)備的干擾。為了能夠使電子設(shè)備不受到外界因素的干擾，要最大程度上控制進(jìn)入電子設(shè)備的射頻能量。電磁干擾能夠通過(guò)輻射以及傳輸?shù)姆绞疆a(chǎn)生，一旦干擾源的能量能夠直接對(duì)控制線、信號(hào)線以及電源線造成輻射影響且進(jìn)入電子設(shè)備，則能夠借助公共信號(hào)和控制電纜等耦合路徑對(duì)電子設(shè)備造成直接干擾，導(dǎo)致電子設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。所以，需在設(shè)備端口以及敏感回路使用共模進(jìn)行抗干擾，有效控制干擾造成的影響，降低輻射和傳輸?shù)哪芰浚M(jìn)而提升電子設(shè)備的抗干擾能力。

4 電子設(shè)備電磁兼容問(wèn)題解決策略

4.1 接 地

接地指整個(gè)電路系統(tǒng)中全部的單元電路都利用設(shè)備機(jī)殼與大地連接，使整個(gè)電子系統(tǒng)獲取共同的參考零電位，確保電路系統(tǒng)正常工作。接地可以很大程度上避免外界的電磁干擾源。電子設(shè)備機(jī)殼接地能夠使靜電感應(yīng)下積累在機(jī)殼本身的電荷釋放到大地，否則電荷產(chǎn)生的電壓會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備內(nèi)部火花放電造成設(shè)備受損失靈，如圖1所示。此外，接地方式能夠有效防止電子設(shè)備因雷電出現(xiàn)電磁感應(yīng)而受損[7]。工頻交流電源輸入電壓絕緣效果差，在與設(shè)備機(jī)殼連接時(shí)，需采用接地手段來(lái)保護(hù)工作人員，以免發(fā)生觸電事件。

接地主要包括單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地以及混合接地3種方式。單點(diǎn)接地是在一個(gè)線路中只有一個(gè)物理點(diǎn)能夠設(shè)置為接地點(diǎn)，其他需要接地的物理點(diǎn)需要連接到這一個(gè)點(diǎn)上。多點(diǎn)接地是在電路系統(tǒng)中所有接地點(diǎn)都能夠與最近的接地平面進(jìn)行直接連接，使接地的引線長(zhǎng)度控制在最小值。接地的平面可以選擇設(shè)備機(jī)殼底部，也可以選擇貫穿整個(gè)電路系統(tǒng)的接地總線。在相對(duì)較大的電路系統(tǒng)中，還能夠選擇電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行接地。混合接地借助旁路電容將高頻接地點(diǎn)與接地平面連接。為了有效避免旁路電容和引線電感形成諧振，在選擇混合接地時(shí)需要格外注意。

圖1 電磁兼容接地原理圖

4.2 屏 蔽

屏蔽指對(duì)兩個(gè)空間區(qū)域之間實(shí)現(xiàn)金屬隔離來(lái)控制電場(chǎng)和磁場(chǎng)，能有效控制電磁波在區(qū)域之間產(chǎn)生感應(yīng)和輻射。具體而言，就是采用屏蔽物質(zhì)將元件、電路、組合鍵以及電纜等整個(gè)電路系統(tǒng)的干擾源進(jìn)行隔絕，避免干擾電磁場(chǎng)向其他區(qū)域擴(kuò)散；使用屏蔽物質(zhì)將電路、電子設(shè)備以及電路系統(tǒng)進(jìn)行隔絕，避免受到外界電磁場(chǎng)因素造成的干擾[8]。

由于屏蔽的物質(zhì)能夠?qū)υ醋詫?dǎo)線、電纜、元件以及電路系統(tǒng)等外界的干擾電磁波以及內(nèi)部的電磁波進(jìn)行能量的吸收、外放、反射（電磁波在屏蔽作用下產(chǎn)生反射情況）和抵消（電磁感應(yīng)在屏蔽作用下產(chǎn)生反向電磁場(chǎng)，從而抵消部分電磁波干擾），因此屏蔽方式有降低干擾的作用。

4.3 濾 波

濾波器是由電阻、電感以及電容構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠減少電子設(shè)備不需要的電磁信號(hào)[9]，有效控制電磁干擾。濾波能夠有效降低傳導(dǎo)干擾的影響和傳導(dǎo)干擾導(dǎo)致的輻射干擾。濾波器通常作為前期不良設(shè)計(jì)的一種補(bǔ)救手段，在可靠性方面不及接地和屏蔽手段，且成本較高，需占據(jù)一定的空間。

濾波器能夠根據(jù)頻率分成低通、高通、帶通以及帶阻幾種類(lèi)型。根據(jù)形式，濾波器則分成T型、π型、L型以及C型。下面以低通濾波器為例進(jìn)行說(shuō)明。低通濾波器是電磁兼容技術(shù)中最普遍的手段，構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單。低通濾波器連接在電源和底線之間時(shí)，能夠降低共模干擾；低通濾波器連接在印制電路板的直流電源上時(shí)，能夠降低電源發(fā)出的噪音。低通濾波器接收頻率范圍較廣，應(yīng)用廣泛且特性優(yōu)良，如圖2所示。由于電磁干擾的頻譜范圍較寬，濾波器的高頻特點(diǎn)無(wú)法通過(guò)元件的等效集中參數(shù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)[10]，因此需要針對(duì)具體的電源線路選擇濾波器。通常情況下需進(jìn)行多方面測(cè)試來(lái)尋找規(guī)律，才能夠驗(yàn)證具體的使用效果。

圖2 低通濾波器

5 結(jié) 論

現(xiàn)階段科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，在很多領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著成就，微電子技術(shù)也逐漸得到了提升與優(yōu)化，電子設(shè)備的更新?lián)Q代效率也逐漸提升，促使電磁兼容性的設(shè)計(jì)與研究成為一項(xiàng)重要工作。電磁兼容是一門(mén)相對(duì)復(fù)雜且具有交叉性的學(xué)科，設(shè)計(jì)和防護(hù)上受到了多方面因素的影響。因此，實(shí)際工作過(guò)程中，需根據(jù)相關(guān)工作原理進(jìn)行積極探索與嘗試，從而找尋有效的解決辦法。