电子产品世界

5.2 对电磁干扰可能传播的路径的设计方法

5.2.1 电路性耦合

当两个电路存在公共阻抗时，一个电路的电参数通过公共阻抗对另一个电路的电参数产生了影响。而这种影响造成误动作时，即为通过电路性耦合的路径产生的电磁干扰。公共阻抗主要有共回路导线、共地阻抗和共电源内阻。

电路性耦合的电磁兼容设计方法是

1）对共电源内阻产生的电磁干扰，可以用不同的电源分别供电的方法，以去除共电源内阻产生的电路性耦合。

2）对共回路导线产生的电磁干扰，可以用对导线阻抗加以限制或去耦的方法，以减低共回路导线产生的电路性耦合。共回路导线的阻抗包括电阻和电感。

——限制电阻的方法增大共回路导线的截面、减小共回路导线的长度和降低接触电阻；

——限制电感的方法减小共回路导线的长度和来回线的距离；

——电路去耦的方法去掉共回路导线，而将不同的回路仅在一点连接。

3）对共地阻抗产生的电磁干扰，可以用降低共地阻抗的方法，以去除共地阻抗产生的电路性耦合。

——接地的种类和作用

电子设备一般有两种接地。一种是安全接地，即将机壳接地，当机壳带电时，电源的保护动作，切断电源，以保护工作人员的安全；另一种是工作接地，给电路系统提供一个基准电位，同时也可将高频干扰引走。但是，不正确的工作接地反而会增加干扰，比如共地线干扰，地环路干扰等等。

工作接地按工作频率采用不同的接地方式。工作频率低的（小于1MHz）采用单点接地式，即把整个电路系统中的一个结构点看作接地参考点，所有对地连接都接到这一点上，并设置一个安全接地螺栓；工作频率高的（大于30MHz）采用多点接地式，即在该电路系统里，用一块接地平板代替电路中每部分各自的地回路。其主要原因是接地引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗，从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰。工作频率在上述两者之间的可采用混合接地式。

此外，还有一种浮地式，即该电路的地与大地无导体连接。其优点是该电路不受大地电性能的影响。其缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰。

——对接地电阻的要求

接地电阻越小越好。因为当有电流流过接地电阻时，其上产生的电压，将产生共地阻抗的电磁干扰。另外，该电压不仅使设备受到反击过电压的影响，而且使操作人员受到电击伤害的威胁。因此，一般要求接地电阻小于4Ω。

接地电阻由接地线电阻、接触电阻和地电阻组成。为此降低接地电阻的方法有以下三种：

一是降低接地线电阻，为此要用总截面大和长度小的多股细导线。

二是降低接触电阻，为此要将接地线与接地螺栓和接地极作紧密又牢靠地连接，并要增加接地极和土壤之间的面积与接触的紧密度。

三是降低地电阻，为此要增加接地极的表面积和增加土壤的电导率（如在土壤中注入盐水）。

——低频电路地

工作频率低于1MHz的一个电路采用单点接地式，以防两点接地产生共地阻抗的电路性耦合。多个电路的单点接地式又分为串联和并联两种，由于串联接地产生共地阻抗的电路性耦合，所以低频电路最好采用并联的单点接地式。

为防止工频和其它杂散电流在信号地线上产生干扰，信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘。且只在功率地、机壳地和接往大地的接地线的安全接地螺栓上相连（浮地式除外）。

地线的长度（L/m）与截面积（S/mm2）的关系为

S>0.83L （11）

——高频电路地

工作频率高于30MHz的电路采用多点接地式。因为接地引线感抗与频率和长度成正比，所以地线的长度要尽量短。多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地。

——混合接地式

工作频率介于1～30MHz的电路采用混合接地式。当接地线的长度小于工作信号波长的1/20时，采用单点接地式，否则采用多点接地式。

——屏蔽地

电路的屏蔽体，即用屏蔽材料将电磁辐射源屏蔽起来，并将屏蔽体接地，以降低电磁辐射的干扰。屏蔽体内的电路地线只能一点接屏蔽体，而不得利用屏蔽体作返回导体。

——电缆的屏蔽层

对于多层屏蔽电缆，每个屏蔽层应在一点接地，各屏蔽层应相互绝缘。

当电缆长度大于工作信号波长的0.15倍时，采用间隔工作信号波长的0.15倍的多点接地式。如果不能实现，则至少应将屏蔽层两端接地。

4）电位隔离

电位隔离分为机械、电磁、光电和浮地几种隔离方式，其实质是人为地造成电的隔离，以阻止电路性耦合产生的电磁干扰。

——机械隔离采用继电器来实现其线圈接收信号，机械触点发送信号。机械触点分断时，由于阻抗很大、电容很小，从而阻止了电路性耦合产生的电磁干扰。缺点是线圈工作频率低，不适合于工作频率较高的场合使用。而且存在触点通断时的弹跳和干扰以及接触电阻等。

——电磁隔离采用变压器来实现通过变压器传递电信号，阻止了电路性耦合产生的电磁干扰。对于交流的场合使用较为方便，由于变压器绕组间分布电容较大，所以使用时应当与屏蔽和接地相配合。

——光电隔离采用光电耦合器来实现通过半导体发光二极管（LED）的光发射和光敏半导体（光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等）的光接收，来实现信号的传递。光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分压在光电耦合器输入端的干扰电压较小，而且一般干扰源的内阻较大，它所能提供的电流并不大，因此不能使发光二极管发光。光电耦合器的外壳是密封的，它不受外部光的影响。光电耦合器的隔离电阻很大（约1012Ω），隔离电容很小（约数pF）能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。只是光电耦合器的隔离阻抗随着频率的提高而降低，抗干扰效果也将降低。

——浮地浮地可使功率地（强电地）和信号地（弱电地）之间的隔离电阻很大，所以能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。

5.2.2 电容性耦合

任何两个导体之间都存在着电容。电容值与介质的介电常数ε和两个导体的有效面积成正比、与两个导体之间的距离D成反比。当两个平行圆导体直径为d时，其电容C为

C=πε/ln(D/d) （12）

当一个导体对地具有电位U1，阻抗Z1，另一个导体对地具有阻抗Z2，两个导体具有相同地电位，通过两个导体之间的电容，在另一个导体上将产生干扰电压U2为

U2=U1Z2/（Z1＋Z2＋1/jωC） （13）

当阻抗Z1和阻抗Z2中含有电感分量时，产生的干扰电压U2有可能大于导体1对地的电位U1。

电容性耦合的等值电路图见图1。

图 1 电 容 性 耦 合 的 等 值 电 路 图

在上述分析中，两导线间的有效耦合长度应远小于信号波长（一般为1/10）时，才允许使用集中参数的等效电路来分析线间耦合，否则必须应用电磁场理论的传输方程来分析线间耦合。

电容性耦合的电磁兼容设计方法是

1）尽可能减小干扰源U1的幅值和干扰源的变化速度ω。

2）Z1和Z2设计得尽可能大，且Z1远大于Z2。

3）耦合电容设计得尽可能小

——尽量加大两个导体间的距离；

——尽量缩短两个导体的长度；

——尽量避免两个导体平行走线。

4）屏蔽

屏蔽的目的切断干扰源和被干扰对象之间的电力线，以免除电容性耦合的电磁干扰。

屏蔽的方法采用与干扰源基准电位相连的屏蔽；采用与被干扰对象基准电位相连的屏蔽；或者上述两者都用，其效果更好。

屏蔽的注意事项

——要有完整的屏蔽，否则屏蔽的效果降低；

——要用导电性能好的材料作屏蔽，否则屏蔽的效果降低；

——要有良好的屏蔽接地，否则屏蔽的效果降低。当导线的长度小于工作信号波长的1/20时，采用单点接地式，否则采用多点接地式。接地线的长度要尽量短。

5）平衡

平衡的目的当干扰源和被干扰对象的基准电位是互相独立时，可以采用平衡的方法，即使干扰源和被干扰对象的耦合电容平衡，以免除电容性耦合的电磁干扰。

平衡的方法

——干扰源和被干扰对象均采用绞合导线；

——采用四芯导线，使干扰源和被干扰对象的导线交叉对称。

5.2.3 电感性耦合

任何两个回路之间都存在着互感。互感值与介质的磁导率μ成正比，并与两个回路的几何尺寸有关。两个回路的布局如图2所示。

图2 两 个 回 路 的 布 局 图

图中1～1为第一个回路，2～2为第二个回路，a、b、c、d为回路的间距。另外设l为回路的长度。

两个回路的互感M为

M=μlln（ac/bd）/2π （14）

当第一个回路具有电流i1，通过两个回路之间的互感M，在第二个回路上产生的干扰电压u2为

u2=Mdi1/dt （15）

电感性耦合的电磁兼容设计方法是

1）尽可能减小干扰源电流i1的变化速度。

2）尽可能设计得使两个回路的互感M小，为此

——尽量加大两个回路间的距离；

——尽量缩短两个回路的长度；

——尽量避免两个回路平行走线；

——尽量缩小两个回路的面积，并减低重合度。

3）屏蔽

屏蔽的目的切断干扰源和被干扰对象之间的磁力线，以免除电感性耦合的电磁干扰。

屏蔽的方法采用铁磁性导体的静态磁屏蔽，采用良导体感应涡流的动态磁屏蔽。

关键词： 电磁兼容 概念 设计方法 实例