電子控制設備的抗干擾設計研究

王振華，姚玉林，曹火焰

（91515部隊，海南 三亞 572000）

在科學技術水平不斷提升的背景下，傳統的電子設備已經逐漸轉變為新型的電子控制設備。但是，電子控制設備受到外界電磁的干擾就會相互影響，所以需要從各方面優化電子控制設備的抗干擾設計。

1 干擾概述

從電子控制設備的抗干擾設計這一角度來說，干擾指的是所有不希望存在的信號，即在一個有用的頻帶當中所有不希望存在的噪聲。對于電子控制設備來說，噪聲可以通過常模噪聲與共模噪聲這兩種模式對電子設備產生電磁干擾。

（1）常模噪聲：常模噪聲又被稱為對稱噪聲或線間感應噪聲，其原理如圖1所示。其中N代表的是噪聲源，R象征的是受擾設備，VN是噪聲電壓，IN是噪聲電流，IS是信號電流，噪聲電流與信號電流在往返兩條線上是保持一致的，所以這種類型的噪聲很難消除[1]。

圖1 常模噪聲原理

（2）共模噪聲：共模噪聲又被稱為不對稱噪聲或對地感應噪聲，其原理如圖2所示。噪聲電流是以地為公共回路的，會在兩條線上都流過一部分，不會在往返兩條線路當中流過，所以從某種程度來說這種噪聲可以消除[2]。

圖2 共模噪聲原理

（3）共模噪聲與常模噪聲之間的轉換：因為線路具有不平衡性，所以共模噪聲可能會轉換為常模噪聲，其原理如圖3所示。其中，N指的是噪聲源，L指的是負載，導線1和導線2之間的對地阻抗是Z1、Z2。在Z1=Z2的情況下，噪聲電壓V1與V2是相等的，噪聲電流I1與I2也是相等的，也就是說噪聲電流不流過負載，所以這對于負載L來說就是共模噪聲。但如果Z1、Z2不相等的話，VN1與VN2就不相等，IN1與IN2也不相等，所以VN1-VN2=VN，VN/ZL=IN，其中ZL指的是負載阻抗，此時對于負載L來說就是常模噪聲[3]。如果出現常模噪聲的話，需要綜合考慮是否是在線路不平衡狀態下由共模噪聲轉變過來的。

圖3 共模噪聲轉變為常模噪聲的原理

共模噪聲有交流、直流的區別，一般情況下輸入輸出線和大地或機殼之間的噪聲都屬于共模噪聲，信號線在靜電感應影響下產生的噪聲也屬于共模噪聲。共模噪聲的抑制方法較多，例如可以通過隔離、屏蔽等方式進行抑制，同時有很多抗干擾技術都是以抑制共模噪聲為主的。

2 噪聲傳播途徑

噪聲的傳播途徑較多，主要是通過接地電路、導線以及空間傳播的。通過接地電路傳播的方式主要包括地線感應、地線傳導以及接地噪聲等；通過導線傳播的方式有信號線、電源線以及控制線；通過空間傳播的方式有靜電感應、電磁波以及電磁感應。

3 抑制電磁干擾的策略

3.1 電磁兼容的評價原則

在選擇抑制電磁干擾的措施之前需要綜合分析電子控制設備電磁兼容的評價原則。一般情況下，都會利用電磁容不等式進行評價，即利用噪聲發送量×耦合因素＜噪聲敏感度這一不等式進行評價[4]。傳導噪聲或輻射噪聲從噪聲源發出之后會通過空間或導線進入到電子控制設備的相應部分，例如進入到輸入電路或電源電路當中，變成電子控制設備的噪聲。如果這一噪聲比電子控制設備的噪聲敏感度小的話，電子控制設備就不會受到噪聲的干擾，且如果電子控制設備的所有噪聲入口都能夠滿足這一要求，裕量也足夠時，電子控制設備就符合電磁兼容的要求。但如果電子控制設備的某入口部位無法滿足上述要求，且裕量不足的話，就需要根據實際情況對各個環節進行處理，處理之后再檢查是否能夠滿足不等式的要求。總而言之，為了使電子控制設備達到電磁兼容的目的，就應該綜合分析干擾電子控制設備的噪聲以及電磁干擾發送量、衰減情況及傳播途徑，并對電子控制設備的敏感度進行測試，在綜合分析各項數據的基礎上采用科學有效的能夠抑制電磁干擾的措施。

3.2 抑制電磁干擾的措施

抑制電磁干擾的方式較多，常用的有五種，分別是應用抑制干擾的器件或電路、濾波、接地、屏蔽以及合理布線等。

3.2.1 應用抑制干擾的器件或電路

能夠抑制干擾的器件有浪涌吸收器與隔離變壓器，可以抑制干擾的電路有專用供電線路。

（1）浪涌吸收器

電路在運行過程中可能會出現一些特殊情況，例如會出現一些較大的瞬時電流或電壓，這些瞬時電流或電壓比正常電流、電壓高很多，其中最常見的就是開關浪涌電壓與雷電浪涌電流。這時，就可以利用浪涌吸收器抑制干擾，例如利用二極管、新型半導體、雪崩半導體、RC電路、硒整流器、金屬氧化物壓敏電阻以及氣體放電管等[5]。

（2）隔離變壓器

隔離變壓器的應用范圍較為廣泛，可以有效解決地線環路因素造成的設備干擾，主要包括普通隔離變壓器與含有屏蔽層的隔離變壓器兩種類型。普通隔離變壓器在初級和次級之間沒有屏蔽層，可以在一定程度上抑制共模噪聲，但是在繞組間寄生電容等因素的影響下，普通隔離變壓器的抑制作用會隨著頻率的升高而降低。帶屏蔽層的隔離變壓器就是在初級和次級之間含有屏蔽層，這一屏蔽層不會影響到變壓器能量的傳輸，但是會對繞組間耦合電容造成影響，所以需要做好屏蔽層的接地工作。

（3）專用供電線路

只需要簡單處理供電線路就可以有效抑制干擾。例如，可以將三相電當中的一相當作干擾敏感設備的供電電源，將另外一相當作外部設備的供電電源，將最后一相當作輔助設備或測試儀器的供電電源，這樣不僅可以實現三相平衡，也可以抑制電子控制設備之間的相互干擾。

3.2.2 濾波

濾波是一種選擇型網絡，主要是由電阻、電容、電感以及有源器件構成的。濾波是電路的傳輸網絡，可以通過有選擇性的衰減，輸入信號當中不需要的頻率分量達到濾波目的。頻率特性影響著濾波器，也就是說濾波器的插入衰減會隨著工作頻率的變化而變化。濾波器的類型較多，其中常見類型有高通濾波器、低通濾波器、帶阻濾波器以及帶通濾波器。同時，濾波電路當中的濾波元件較多，例如鐵氧體磁環、穿心電容器以及三端電容器等，這些濾波原件可以有效優化電路的諧波特性。

3.2.3 接地

接地至關重要，不僅可以達到安全保護的效果，避免出現觸電的情況，這被稱為安全接地，也可以為電子控制設備提供更加精準的基準電位，稱為功能性接地。接地屬于系統工程，在設計過程中需要綜合考慮，并根據接地的功能將接地劃分為安全接地、控制接地與信號接地。同時，設計人員需要根據實際情況設計一點多接、多點接地與混合接地。為了減少出現接地環流的情況，需要應用隔離技術。接地電阻是衡量接地的指標，一般情況下都以10歐姆為主。從電子控制設備的角度來說，在低頻電路、高頻電路以及混合電路當中需要根據實際情況進行接地設計。第一，在低頻電路當中進行接地設計時需要遵循一點接地的原則。在低頻電路當中，如果選擇多點接地的話，可能會出現接地環路以及閉合等情況，如果低頻或脈沖磁場穿過這一環路的話就會出現磁感應噪聲，這時不同的接地點之間就會形成電位差，繼而造成干擾[6]。所以，設計人員可以通過放射式接地線路或干線式接地線路實現一點接地。第二，在高頻電路當中需要設計多點接地。在高頻電路當中，即使地線較短也會產生較大的阻抗壓降，同時會受到分布電容的影響，無法實現一點接地，所以為了降低接地阻抗、消除分布電容的影響，需要進行平面式多點接地。設計人員需要以一個導電平面為基準點，將接地的各個部分都接到這一基準點上。

3.2.4 屏蔽

屏蔽指的是利用屏蔽材料減少電磁干擾，避免噪聲侵入，也可以在設備內部限制內部輻射，避免電磁能量干擾到其他設備。屏蔽包括磁場屏蔽與電場屏蔽兩種類型，其中磁場屏蔽是將高導磁材料制作成屏蔽體，而電場屏蔽是將良導體制作成屏蔽體。

3.2.5 合理布線

合理布線是十分重要的抗干擾策略，因為無論是導線的類型、粗細、長短，還是導線的走線方式、線間距離等因素都會影響到噪聲耦合，所以需要在堅持布線原則的基礎上科學布線。

4 結束語

在抑制電磁干擾時，可以應用抑制干擾的器件或電路、濾波、接地、屏蔽以及合理布線等方式，減少電磁對電子控制設備的干擾，增強電子控制設備的可靠性。