電子控制設(shè)備的抗干擾設(shè)計(jì)研究

王振華，姚玉林，曹火焰

（91515部隊(duì)，海南 三亞 572000）

在科學(xué)技術(shù)水平不斷提升的背景下，傳統(tǒng)的電子設(shè)備已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦偷碾娮涌刂圃O(shè)備。但是，電子控制設(shè)備受到外界電磁的干擾就會(huì)相互影響，所以需要從各方面優(yōu)化電子控制設(shè)備的抗干擾設(shè)計(jì)。

1 干擾概述

從電子控制設(shè)備的抗干擾設(shè)計(jì)這一角度來說，干擾指的是所有不希望存在的信號(hào)，即在一個(gè)有用的頻帶當(dāng)中所有不希望存在的噪聲。對(duì)于電子控制設(shè)備來說，噪聲可以通過常模噪聲與共模噪聲這兩種模式對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。

（1）常模噪聲：常模噪聲又被稱為對(duì)稱噪聲或線間感應(yīng)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(shè)備，VN是噪聲電壓，IN是噪聲電流，IS是信號(hào)電流，噪聲電流與信號(hào)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(duì)稱噪聲或?qū)Φ馗袘?yīng)噪聲，其原理如圖2所示。噪聲電流是以地為公共回路的，會(huì)在兩條線上都流過一部分，不會(huì)在往返兩條線路當(dāng)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(zhuǎn)換：因?yàn)榫€路具有不平衡性，所以共模噪聲可能會(huì)轉(zhuǎn)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(fù)載，導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間的對(duì)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(fù)載，所以這對(duì)于負(fù)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(fù)載阻抗，此時(shí)對(duì)于負(fù)載L來說就是常模噪聲[3]。如果出現(xiàn)常模噪聲的話，需要綜合考慮是否是在線路不平衡狀態(tài)下由共模噪聲轉(zhuǎn)變過來的。

圖3 共模噪聲轉(zhuǎn)變?yōu)槌ＤＴ肼暤脑?/p>

共模噪聲有交流、直流的區(qū)別，一般情況下輸入輸出線和大地或機(jī)殼之間的噪聲都屬于共模噪聲，信號(hào)線在靜電感應(yīng)影響下產(chǎn)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(jìn)行抑制，同時(shí)有很多抗干擾技術(shù)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(dǎo)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(yīng)、地線傳導(dǎo)以及接地噪聲等；通過導(dǎo)線傳播的方式有信號(hào)線、電源線以及控制線；通過空間傳播的方式有靜電感應(yīng)、電磁波以及電磁感應(yīng)。

3 抑制電磁干擾的策略

3.1 電磁兼容的評(píng)價(jià)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(shè)備電磁兼容的評(píng)價(jià)原則。一般情況下，都會(huì)利用電磁容不等式進(jìn)行評(píng)價(jià)，即利用噪聲發(fā)送量×耦合因素＜噪聲敏感度這一不等式進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。傳導(dǎo)噪聲或輻射噪聲從噪聲源發(fā)出之后會(huì)通過空間或?qū)Ь€進(jìn)入到電子控制設(shè)備的相應(yīng)部分，例如進(jìn)入到輸入電路或電源電路當(dāng)中，變成電子控制設(shè)備的噪聲。如果這一噪聲比電子控制設(shè)備的噪聲敏感度小的話，電子控制設(shè)備就不會(huì)受到噪聲的干擾，且如果電子控制設(shè)備的所有噪聲入口都能夠滿足這一要求，裕量也足夠時(shí)，電子控制設(shè)備就符合電磁兼容的要求。但如果電子控制設(shè)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(jù)實(shí)際情況對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)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(shè)備達(dá)到電磁兼容的目的，就應(yīng)該綜合分析干擾電子控制設(shè)備的噪聲以及電磁干擾發(fā)送量、衰減情況及傳播途徑，并對(duì)電子控制設(shè)備的敏感度進(jìn)行測(cè)試，在綜合分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用科學(xué)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(yīng)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(yīng)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(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)一些特殊情況，例如會(huì)出現(xiàn)一些較大的瞬時(shí)電流或電壓，這些瞬時(shí)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(guān)浪涌電壓與雷電浪涌電流。這時(shí)，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(dǎo)體、雪崩半導(dǎo)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(yīng)用范圍較為廣泛，可以有效解決地線環(huán)路因素造成的設(shè)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(jí)和次級(jí)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(huì)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(jí)和次級(jí)之間含有屏蔽層，這一屏蔽層不會(huì)影響到變壓器能量的傳輸，但是會(huì)對(duì)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(jiǎn)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(dāng)中的一相當(dāng)作干擾敏感設(shè)備的供電電源，將另外一相當(dāng)作外部設(shè)備的供電電源，將最后一相當(dāng)作輔助設(shè)備或測(cè)試儀器的供電電源，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)三相平衡，也可以抑制電子控制設(shè)備之間的相互干擾。

3.2.2 濾波

濾波是一種選擇型網(wǎng)絡(luò)，主要是由電阻、電容、電感以及有源器件構(gòu)成的。濾波是電路的傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以通過有選擇性的衰減，輸入信號(hào)當(dāng)中不需要的頻率分量達(dá)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(huì)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(shí)，濾波電路當(dāng)中的濾波元件較多，例如鐵氧體磁環(huán)、穿心電容器以及三端電容器等，這些濾波原件可以有效優(yōu)化電路的諧波特性。

3.2.3 接地

接地至關(guān)重要，不僅可以達(dá)到安全保護(hù)的效果，避免出現(xiàn)觸電的情況，這被稱為安全接地，也可以為電子控制設(shè)備提供更加精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電位，稱為功能性接地。接地屬于系統(tǒng)工程，在設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮，并根據(jù)接地的功能將接地劃分為安全接地、控制接地與信號(hào)接地。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)一點(diǎn)多接、多點(diǎn)接地與混合接地。為了減少出現(xiàn)接地環(huán)流的情況，需要應(yīng)用隔離技術(shù)。接地電阻是衡量接地的指標(biāo)，一般情況下都以10歐姆為主。從電子控制設(shè)備的角度來說，在低頻電路、高頻電路以及混合電路當(dāng)中需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行接地設(shè)計(jì)。第一，在低頻電路當(dāng)中進(jìn)行接地設(shè)計(jì)時(shí)需要遵循一點(diǎn)接地的原則。在低頻電路當(dāng)中，如果選擇多點(diǎn)接地的話，可能會(huì)出現(xiàn)接地環(huán)路以及閉合等情況，如果低頻或脈沖磁場(chǎng)穿過這一環(huán)路的話就會(huì)出現(xiàn)磁感應(yīng)噪聲，這時(shí)不同的接地點(diǎn)之間就會(huì)形成電位差，繼而造成干擾[6]。所以，設(shè)計(jì)人員可以通過放射式接地線路或干線式接地線路實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)接地。第二，在高頻電路當(dāng)中需要設(shè)計(jì)多點(diǎn)接地。在高頻電路當(dāng)中，即使地線較短也會(huì)產(chǎn)生較大的阻抗壓降，同時(shí)會(huì)受到分布電容的影響，無法實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)接地，所以為了降低接地阻抗、消除分布電容的影響，需要進(jìn)行平面式多點(diǎn)接地。設(shè)計(jì)人員需要以一個(gè)導(dǎo)電平面為基準(zhǔn)點(diǎn)，將接地的各個(gè)部分都接到這一基準(zhǔn)點(diǎn)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(shè)備內(nèi)部限制內(nèi)部輻射，避免電磁能量干擾到其他設(shè)備。屏蔽包括磁場(chǎng)屏蔽與電場(chǎng)屏蔽兩種類型，其中磁場(chǎng)屏蔽是將高導(dǎo)磁材料制作成屏蔽體，而電場(chǎng)屏蔽是將良導(dǎo)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?yàn)闊o論是導(dǎo)線的類型、粗細(xì)、長(zhǎng)短，還是導(dǎo)線的走線方式、線間距離等因素都會(huì)影響到噪聲耦合，所以需要在堅(jiān)持布線原則的基礎(chǔ)上科學(xué)布線。

4 結(jié)束語(yǔ)

在抑制電磁干擾時(shí)，可以應(yīng)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(duì)電子控制設(shè)備的干擾，增強(qiáng)電子控制設(shè)備的可靠性。