電磁干擾的抑制方法

一般來說，形成電磁干擾必須同時具備三個因素：

1、存在著電磁干擾源

2、存在著電磁干擾的傳遞途徑

3、存在著接受電磁干擾的敏感設(shè)備

 

通常用以抑制電磁干擾的方法是：

1、對于擾源采取屏蔽、隔離和接地的方法抑制干擾量的發(fā)射，采用濾波、阻尼和去耦等方法阻止干擾量的傳播。

2、對電子設(shè)備或器件采取提高線路信噪比、增大開關(guān)時間、提高器件抗干擾門限等方法以降低其電磁敏感度。

3、這些措施在電路設(shè)計時都必須予以認(rèn)真考慮，其中屏蔽、接地和濾波是抑制電磁干擾的三項基本措施。

 

屏蔽

屏蔽是利用屏蔽體來阻止電磁干擾源的電磁能發(fā)射的重要手段。

電場屏蔽簡稱電屏蔽，它包括靜電屏蔽和交變電場的屏蔽。

磁場屏蔽簡稱磁屏蔽，它包括低頻磁屏蔽和高頻磁屏蔽。

電磁屏蔽是對電場和磁場同時加以屏蔽，一般是指對高頻電路磁場進行屏蔽。

 

（1）靜電屏蔽

圖9－16是靜電屏蔽示意圖。當(dāng)屏蔽體內(nèi)存在著帶正電荷的導(dǎo)體A時，在屏蔽體的內(nèi)側(cè)感應(yīng)出等量的負(fù)電荷。

當(dāng)屏蔽體B末接地時，如圖9－16(a)所示，在屏蔽體B的外側(cè)感應(yīng)出等量的正電荷，實際上沒有起到屏蔽作用。

當(dāng)屏蔽體接地時，如圖9－16(b)所示，使得屏蔽體外側(cè)與大地等電位，才能將靜電場封閉在屏蔽體內(nèi)，屏蔽體外側(cè)不形成電場，真正起到屏蔽作用。

圖9－17是對外來場的靜電屏蔽。由于屏蔽導(dǎo)體為等位體，在屏蔽體內(nèi)部不會形成電場。在屏蔽體外側(cè)表面，一邊形成正電荷，一邊形成負(fù)電荷。

當(dāng)屏蔽體完全封閉時，不管屏蔽體是否接地，外電場都不可能侵入屏蔽體內(nèi)部。

但實際的屏蔽往往不能完全封閉，此時不接地就會引起外電場侵入，形成屏蔽體內(nèi)外靜電耦合，降低屏蔽效能。

 

交變電場屏蔽

對于交變電場，干擾的傳遞是通過電路中分布電容進行耦合的。

當(dāng)干擾源S與受擾設(shè)備R間無電屏蔽時，干擾電平Us通過分布電容C耦合到受擾設(shè)備上，使受擾設(shè)備對地形成一定的感應(yīng)電壓，加在受擾設(shè)備對地的分布電容CR兩端，如圖9－18(a)所示。此時的感應(yīng)電壓為：

當(dāng)干擾源S與受擾設(shè)備R間加人良導(dǎo)體屏蔽體P時，并使P有良好的接地，如圖9－18(b)所示，此時的感應(yīng)電壓為：

比較兩式可知，即采取了電屏蔽后，受擾設(shè)備所承受的電磁干擾將大大成小。

 

分布電容C2>>Csr，是因為屏蔽體P比干擾源S更靠近受擾設(shè)備R，且P的尺寸比S的尺寸大。

(2)磁場屏蔽

簡稱磁屏蔽，它包括低頻磁屏蔽和高頻磁屏蔽。

低頻磁屏蔽是指對變化頻率在1KHz以下的干擾磁場的屏蔽，采用高導(dǎo)磁材料制成屏蔽罩，對干擾磁場進行分路。

 

根據(jù)分磁原理，把本來要穿過受擾設(shè)備形成低頻磁場干擾的磁力線，吸收到磁屏蔽低磁阻通道內(nèi)來.從而大大減小穿過受擾設(shè)備的磁力線，即降低干擾。

根據(jù)屏蔽原理，屏蔽材料導(dǎo)磁性能越高，低頻磁屏蔽效果越好。

屏蔽罩通道截面越大，屏蔽效果越好，但隨之成本提高、體積和質(zhì)量增大。同時應(yīng)注意在屏蔽罩上與磁力線垂直的方向不得有開口或縫隙，因為這樣的開口或縫隙將導(dǎo)致磁阻增大，分磁作用減小，磁屏蔽效能降低。

 

鐵磁材料存在著磁滯損耗和渦流損耗，頻率越高，損耗越大，導(dǎo)磁率將明顯下降。只適用于作低頻磁場的屏蔽-高頻磁場的屏蔽應(yīng)采用良導(dǎo)體材料(如銅、鋁)。其屏蔽原理是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象在屏蔽罩表面所產(chǎn)生的高頻電渦流反磁場特性來達到屏蔽高頻磁干擾的。

 

即是說，當(dāng)高頻干擾磁力線入射屏蔽罩時，在屏蔽罩表面產(chǎn)生高頻電渦流，電渦流頻率越高、強度越大，阻止磁力線穿過的能力越強，使得入射到屏蔽罩的高頻磁力線被反射回去，即把高頻磁干擾排斥在屏蔽罩之外，使罩內(nèi)的設(shè)備免受高頻磁干擾。

 

由于需要產(chǎn)生盡可能大的反磁場電渦流，因而選擇渦流回路電阻小的良導(dǎo)體。

 

為了不切斷渦流通道，屏蔽罩上盡量不要有開口及導(dǎo)致渦流回路電阻增加的縫隙。

 

磁屏蔽罩接地與否對屏蔽效能沒有影響，這一點與電屏蔽不同，電屏蔽必須接地。如果將良導(dǎo)體屏蔽罩接地，它將同時具有電場屏蔽和高頻磁場屏蔽的作用，因而實用中還是將屏蔽罩接地。

 

(3)電磁屏蔽

 

是對電場和磁場同時加以屏蔽，一般是指對高頻電路磁場進行屏蔽。

 

在交變場中，電場和磁場總是同時存在的，只是在頻率較低時，電磁波不能向遠方輻射，電場和磁場僅在近區(qū)相互感應(yīng)、來回轉(zhuǎn)換，故常稱為近場或感應(yīng)場。這種近場的能量隨干擾源的特性不同，電場分量和磁場分量有很大的差別。

 

高壓低電流源以電場為主、磁場分量可以忽略，這時只需考慮電場屏蔽；

低壓大電流干擾源則以磁場為主，電場可以忽略，這時可以只考慮磁場屏蔽。

 

隨著頻率的增高，電磁輻射能量增強，從而形成遠程輻射干擾，相應(yīng)地常稱其為遠場或輻射場。頻率越高，輻射的電場能和磁場能都越大，且都不可忽略。這時因為頻率很高時，電場的高速變化在空間產(chǎn)生強大的位移電流(位移電流強度與頻率成正比)。強大的位移電流在其鄰近產(chǎn)生強大的交變磁場，此交變磁場又在附近產(chǎn)生變化的電場，如此循環(huán)往復(fù)。高速變化的電磁場不但相互轉(zhuǎn)換而且在空中向前推進，這種推進的過程即為電磁波的輻射過程。頻率越高，輻射的電磁能量就越多。為了抑制高頻輻射電磁場，必須采用良導(dǎo)體作屏蔽罩，并將屏蔽罩接地。由于高頗的集膚效應(yīng)，對于良導(dǎo)體的穿透深度很小，因而電磁屏蔽體無需做得很厚。且屏蔽罩盡量不要有開口或接縫，理想的屏蔽體是一個結(jié)構(gòu)上密實完整、電氣上連續(xù)均勻。尺寸遠大于電磁波波長的鋁、銅或銅鍍銀的金屬板殼體，這種在屏蔽完體上無孔洞、縫隙等任何電氣上不連續(xù)因素的屏蔽體稱之為實心型屏蔽體。相應(yīng)地，在屏蔽殼體上存在有孔洞、鉚接或焊接等電氣上不連續(xù)因素的屏蔽體稱為非實心屏蔽體。非實心屏蔽體上的孔洞或縫隙都可能引起電磁能的泄漏，導(dǎo)致電磁屏蔽效能的降級。

 

接地

接地通常有兩種含義：

一是接大地，即把電子設(shè)備的金屬外殼通過埋入地下的金屬棒、管道或其他金屬結(jié)構(gòu)件實現(xiàn)對大地的電氣接觸，并以大地作基準(zhǔn)零電位。

主要目的是為雷擊放電或靜電放電提低阻泄放通道，以保護設(shè)備及工作人員的安全。

 

另一是接信號地或系統(tǒng)地，即取電子設(shè)備的金屬底座、機殼、屏蔽罩或較大截面的銅導(dǎo)體，作為設(shè)備電路信號的參考點，并設(shè)該參考點的電位為零(但不是大地零電位)，這種具有相對零電位的參考點，被稱為信號地或系統(tǒng)地。

 

接信號地的主要目的是給電路信號提供—個穩(wěn)定的零電位參考點，以提高電路工作的穩(wěn)定性，理想的信號地應(yīng)是一個零電位、零阻抗的接地實體，即一個足夠大的接地平面，且平面上各點之間都不存在電位差。

 

實際上真正理想的信號地是不存在的，即使是電阻率接近零的超導(dǎo)，其表面兩點之間還存在有某種電抗效應(yīng)，因而所謂理想也只能是近似而已。

若信號地能與大地連接，使電子設(shè)備有一個理想的零電位點，能有效地抑制外界電磁場的影響，保證電路工作的穩(wěn)定性。有效地泄放因靜電感應(yīng)在機殼上積累的電荷，避免電荷積累過多形成高壓引起設(shè)備內(nèi)部放電而造成干擾，且為操作人員提供安全保障。

電子設(shè)備接地通常有三種方式：單點接地、多點接地和浮地。

 

單點接地是指整個電路系統(tǒng)中，只有一個接地參考點，各部分電路需要接地的點都各自直接接到這一參考點上，各接地線不能形成共有的通道，

單點接地一般用于頻率在300Mh以下的電路，因為當(dāng)頻率很高時，其波長縮短到接近于接地引線長度的四倍時，地線電感引起的高頻駐波不可忽略，產(chǎn)生干擾分量，取不到有效接地的目的。

 

多點接地是指整個電路系統(tǒng)中，各部分電路需要接地的點就近接地。

多點接地一般用于頻率在300kHz以上的電路，因為采用多點接地后，系統(tǒng)內(nèi)形成多個地線回路，各地線電感與地線間分布電容可能引起低頻振蕩，對電路低頻信號引起干擾。

 

浮地是指整個電路系統(tǒng)在電氣上與大地相絕緣，這樣可以減少接地系統(tǒng)引入的傳導(dǎo)干擾，此時各部分電路的信號地相連，但對大地懸浮。

浮地的電子設(shè)備易產(chǎn)生靜電放電，在雷電環(huán)境下，靜電感應(yīng)產(chǎn)生高壓會在設(shè)備機箱與內(nèi)電路間產(chǎn)生飛弧，危及設(shè)備及工作人員的安全，因而電子設(shè)備一般不采用浮地。

 

上述三種接地方式，應(yīng)根據(jù)實際電路系統(tǒng)的工作特性來選擇。

 

在一個復(fù)雜的電子設(shè)備中，往往為適應(yīng)各部分電路工作性質(zhì)不同，采取不同的接地方式，形成所謂混合接地。

圖9－20是混合接地實例，該電路工作頻率從低頻到高頻，低頻段希望單點接地，而高頻段卻希望多點按地。為此電路中放大器機殼校直接接地、負(fù)載側(cè)的機殼通過電容(或寄生電容)接地，同軸電纜的屏蔽層經(jīng)同軸連接器與兩傭機殼相連。

低頻時，由于電容對低頻呈現(xiàn)高阻抗，避免了低頻地電流的形成，即低頻段該電路中在放大器側(cè)中點接地。

高頻時，電容對高頻呈現(xiàn)低阻抗，因而負(fù)載側(cè)可通過電容實現(xiàn)高頻接地，而放大器側(cè)可實現(xiàn)高頻直接接地，因而高頻段該電路實際上是兩點接地。

 

濾波

在抑制電磁干擾的設(shè)計中，屏蔽主要是抑制電磁輻射，而濾波則主要是抑制電磁傳導(dǎo)。實踐表明，即使有很完善的屏蔽和接地措施，也仍然存在著電磁傳導(dǎo)干擾導(dǎo)致電子設(shè)備工作性能降低，因而在抑制電磁干擾方面濾波器取著無可替代的作用。電磁干擾濾波器不同于常規(guī)的信號選擇濾波器，前者主要考慮對電磁干擾的有效抑制，后者主要考慮的是對有用信號的有效選擇。兩者相比，電磁干擾濾波器有如下顯著特點：

①電磁干擾濾波器通常工作在阻抗不匹配的條件下，這是因為干擾源的阻抗特性隨頻率變化而變化，其阻抗通常是整個頻段(從Hz到GHz)的函數(shù)。

②干擾電平變化幅度大，有可能使干擾濾波器出現(xiàn)飽和效應(yīng)。

③由于干擾信號的頻帶很寬，其高頻特性非常復(fù)雜，難以用集中參數(shù)等效電路模擬濾波器的高頻特性。

④干擾濾波器在阻帶內(nèi)對干擾信號應(yīng)有足夠的衰減量，而對有用信號的電磁能應(yīng)有最大的傳輸效率。

 

電磁干擾濾波按頻率特性亦可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器四種，按濾波器機理分類，可分為反射型濾波器和吸收型濾波器。

(1)反射型濾波器是利用電感和電容元件的頻率特性，在濾波器的通帶內(nèi)建立低串聯(lián)阻抗和高并聯(lián)阻抗，有利于有用信號的傳輸。而在濾波器的阻帶內(nèi)建立高串聯(lián)阻抗和低并聯(lián)阻抗，有效地阻止干擾信號的傳輸。即使干擾信號反射回干擾源而達到抑制的目的。-反射型濾波器用得最多的是低通濾波器，是用來抑制高頻電磁干擾的。低通濾波器的種類很多，按其電路形式可分為并聯(lián)電容型、串聯(lián)電感型、L型、n型和T型，各類低通濾波器的電路結(jié)構(gòu)及其插入損耗如表9—10所示。表中各類濾波器的應(yīng)用選擇，視干擾源的輸出阻抗及受擾設(shè)備的輸入阻抗相對大小而定。當(dāng)兩者都比較小時，應(yīng)選擇T型或串聯(lián)電感型；當(dāng)兩者都比較大時，應(yīng)選擇n型或并聯(lián)電容型；當(dāng)兩者的阻抗相差較大、即一大一小時，則應(yīng)選擇L型濾波器。這是因為當(dāng)電磁干擾濾波器兩端阻抗都處于失配狀態(tài)時，干擾濾波器的輸入和輸出端口對干擾信號都會產(chǎn)生較強的反射，從而獲得對干擾信號的有效抑制。這是干擾濾波器與信號選擇濾波器最本質(zhì)的區(qū)別。對信號選擇濾波器，要求它在應(yīng)用的頻率范圍內(nèi)得到盡可能完美的阻抗匹配，對傳輸?shù)男盘枦]有反射或反射很小，從而實現(xiàn)盡可能小的信號傳輸損耗。而對干擾濾波器，要在抑制干擾信號頻率范圍內(nèi)，實現(xiàn)最大可能的失配，使需要抑制的干擾信號受到最大的抑制。

 

插入損耗是衡量EMI濾波器性能的重要指標(biāo)，插入損耗越大擾能量衰減的越多，即抑制作用越強。

插入損耗(Insertionloss)的定義為：

U1－未接入EMI濾波器之前受擾設(shè)備輸入電壓；

U2－接入EMI濾波器之后受擾設(shè)備輸入電

 

高通濾波器是用來抑制低頻電磁干擾的。高通濾波器亦有多種類型.其電路結(jié)構(gòu)可由相應(yīng)低通濾波器轉(zhuǎn)換而成。當(dāng)把低通濾波器轉(zhuǎn)換成具有相同終端和截止頻率的高通濾波器時，其轉(zhuǎn)換方法是：

①把每個電感L(H)轉(zhuǎn)換成數(shù)值為1/L（F）的電容C。

②把每個電容C(F)轉(zhuǎn)換成數(shù)值為1/C(H)的電感L。

例如，0.33uF的電容轉(zhuǎn)換成0.33uH的電感，750uH的電感轉(zhuǎn)換成1/750uF的電容，如圖9—21所示。

 

帶通濾波器是對通帶之外的高低頻率干擾量進行衰減，帶阻濾波器是對特定的窄帶內(nèi)干擾量進行衰減。實際的電磁干擾抑制技術(shù)中，帶通濾波器很少使用。帶阻濾波器常被用來抑制線路的諧波干擾，電路結(jié)構(gòu)如圖9—21所示。

 

(2)電源EMI濾波器-亦稱電源線EMI濾波器，用來抑制由電源線傳輸?shù)碾姶鸥蓴_信號，它是用得最普遍的反射型低通濾波器。

對任何電源線上的傳導(dǎo)干擾信號，都可用共模和差模干擾信號來表示。

如圖9－23所示。圖中相線L與地線G和中線N與地線G間存在的EMI信號UL和UN，稱為共模干擾信號。即對相線L和中線N而言，UL和UN是大小相等、相位相同的干擾信號。而把L和N之間存在的干擾信號UIN稱為差模干擾信號。

這里把電源中的傳導(dǎo)干擾信號看作是獨立的干擾源發(fā)射的干擾信號，以便分析EMI信號和處理濾波網(wǎng)絡(luò)的插入

 

電源MI濾波器電路結(jié)構(gòu)亦有多種形式，圖9-24是最典型的電源EMI濾波器基本電路，將其插入電源與受擾設(shè)備之間，即受擾設(shè)備電源人口處，對共模和差模干擾信號都有抑制作用。

如圖9-25所示。在濾波電路中，兩線圈通過的信號電流I1和I2所產(chǎn)生的磁通在鐵心中相互抵消，不引起信號衰威，從而使L1和L2的自感值保持不變。一般取Ll＝L2＝0.3~38mH，若要求電源EMI濾波器低頻特性好，可取大些。但過大引起的分布電容將使電源EM濾波器高頻特性變壞，同時銅耗增加。

如圖9-25所示。在濾波電路中，兩線圈通過的信號電流I1和I2所產(chǎn)生的磁通在鐵心中相互抵消，不引起信號衰威，從而使L1和L2的自感值保持不變。一般取Ll＝L2＝0.3~38mH，若要求電源EMI濾波器低頻特性好，可取大些。但過大引起的分布電容將使電源EM濾波器高頻特性變壞，同時銅耗增加。

①共模扼流圈：

•兩線圈L1和12匝數(shù)相同、繞向相反，繞在同一個軟磁鐵氧體磁環(huán)上；

②共模干擾抑制：

•共模線圈L1和L2分別與各自的CY構(gòu)成L—G、N—G兩個獨立端口的低通濾波器，可抑制電源線上存在的共模干擾UL和UN。CY被稱為共模抑制電容，一般控制在0.1uF以內(nèi)。大了，容抗小，引起漏電流增大，造成系統(tǒng)電磁兼容性能下降。CY要有足夠的耐壓余量(大于電源供電電壓)，避免CY擊穿短路危及人身安全。

③差模干擾抑制：

•共模線圈L1和L2與Cx組成LC低通濾波器，對電源線L—N獨立端口存在的差模干擾ULN取抑制作用。Cx被稱為差模抑制電容，一般取0.33uF左右。Cx接于相線L與中線N之間，它上面除加有電源額定電壓外，還會疊加各種瞬變干擾電壓(峰值可這幾千伏)，因而對Cx有耐壓安全等級要求。即在不同的電磁環(huán)境中，Cx耐壓要求不一樣，避免Cx擊穿而導(dǎo)致濾波器失效。þ電源EMI濾波器為無源網(wǎng)絡(luò)，具有互易性，即既可以抑制電源線上的干擾信號傳入用電設(shè)備，也可以抑制用電設(shè)備工作時產(chǎn)生的干擾信號傳入電源，取到對EMI信號的隔離作用。

 

(3)吸收型濾波器

反射型濾波器的缺點是濾波器的輸入出阻抗難以在一個相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)與指定的源和負(fù)載阻抗相匹配，這種失配將導(dǎo)致部分有用信號被濾波器阻隔，系統(tǒng)信噪比下降。在這種情況下，可考慮采用吸收型濾波器，即用濾波器將噪聲能量吸收后轉(zhuǎn)為熱量消耗掉，而保持有用信號的順利傳輸。-鑒于吸收型濾波器抑制電磁干擾的機理是吸收信號線傳輸過來的噪聲能量并使之轉(zhuǎn)化為熱損耗，因而常稱其為損耗傳輸線(LousyTransmission Line)抑制電磁干擾濾波器，簡稱為損耗線EMI濾波器，-將吸收型濾波器與反射型濾波器串聯(lián)應(yīng)用，可獲得更好的濾波效果，既具有陡峭的頻率特性，又有很高的阻帶衰減。例如在反射型低通濾波器前接入一小段損耗線，就可以得到達種組合型低通濾波器。

 

如圖9—26所示。損耗線EMI濾波器如同一段同軸傳輸線，在同軸傳輸線的內(nèi)外導(dǎo)體間填充鐵氧體材料并在鐵氧體材料外面涂覆或填入高介電常數(shù)的絕緣層，取這樣的一段同軸傳輸線作濾波器。就構(gòu)成損耗線EMI濾波器。

在其等效電路中，R0、L0和C0、G0分別表示損耗線單位長度的電阻、電感、電容和電導(dǎo)，C10表示絕緣層電容。顯然損耗線等效電路只有低通電路結(jié)構(gòu)特征，因而對高頻具有良好的吸收特性。

圖9-27所示電纜濾波器，是最常見的損耗線EMI濾波器，其特點是直接把傳輸電纜和抗干擾濾波溶為一體，在傳輸有用信號的同時，對EMI信號進行濾波。

同軸電纜濾波器不但體積小(鐵氧體管外徑約1.5cm、內(nèi)徑約0.95cm、長度與濾波器的截止頻率成反比，一般不超過15cm，連接方便，且對高頻有較好的吸收特性。

 

汽車電子可靠性設(shè)計（1）

汽車電子可靠性設(shè)計（2）

汽車電子可靠性設(shè)計（3）