淺談大學(xué)生電子設計賽中電磁兼容設計問(wèn)題

許 糧，羅有萍，曾祥志

（贛南師范學(xué)院，江西 贛州 341000）

 

摘  要：分析了電磁騷擾源的特征、電磁騷擾的耦合途徑，提出了減小和抑制電磁干擾措施。

關(guān)鍵詞：電磁兼容；接地；屏蔽；濾波；PCB

 

電磁兼容一般指電氣、電子系統及子系統在共同的環(huán)境中能執行各自功能的共存狀態(tài)，即要求在同一電磁環(huán)境中的上述各種電路、設備、子系統能正常工作又不互相干擾，達到“兼容”狀態(tài)。

大學(xué)生電子設計賽中，所設計的電子系統一般都包含：電源、檢測、控制和執行等部分（或子系統）。各部分（或子系統）工作時(shí)，往往會(huì )產(chǎn)生電磁干擾這種有害的電磁效應，這種電磁效應輕則使電路（或系統）的性能降低，重則使電路（或系統）失效。因此，為了使所設計的系統中各部分工作達到“兼容”狀態(tài)，有必要重視電磁兼容設計問(wèn)題。

要使系統中各子系統能兼容工作，首先必須了解本系統或外部環(huán)境中可能產(chǎn)生電磁騷擾的騷擾源及其耦合途徑；然后對這些騷擾源及耦合途徑采取措施，以減小或抑制這些有害電磁效應對系統工作的影響，以達到各子系統“兼容”狀態(tài)。

這里主要討論電子設計中各子系統可能形成騷擾源的電路、器件及所產(chǎn)生

的騷擾信號的特征。

1.1  直流電動(dòng)機產(chǎn)生的騷擾

在直流電動(dòng)機中含有換向器和電刷，當電動(dòng)機轉動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機的換向器與電刷就會(huì )不斷地接觸與斷開(kāi)。當電刷與相鄰的換向器短接時(shí)，在與換向器相連接的電樞繞組中有電流流過(guò)，緊接著(zhù)電刷與換向器很快轉入斷開(kāi)狀態(tài)，在此瞬間將產(chǎn)生火花放電騷擾。這個(gè)過(guò)程是一個(gè)重復轉換過(guò)程，產(chǎn)生的騷擾具有很寬的頻帶（但頻率很低的騷擾信號分量很?。?。通常，在電動(dòng)機的接線(xiàn)端上，傳導騷擾電壓可達幾十毫伏至幾百毫伏。對非金屬殼體的電動(dòng)機在1M的距離引起感應電壓可達3000~5000uV。電子設計賽中，學(xué)生一般使用小功率的直流電動(dòng)機，其外殼是金屬外殼，有一定的屏蔽作用，為加強對騷擾輻射的屏蔽，應將電動(dòng)機外殼接地。

1.2  電源、振蕩器、時(shí)鐘電路所形成的騷擾源

電源、振蕩器、時(shí)鐘電路所產(chǎn)生的信號進(jìn)入系統形成的騷擾是周期性的連

續波騷擾，其頻率可能是輸入電源頻率（50Hz）、電源諧波頻率，振蕩頻率及諧波頻率，時(shí)鐘頻率及諧波頻率。通常這些騷擾以低電平進(jìn)入，然后被逐級放大。

一般而言，從各種電磁騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感電路的通路或媒介，即耦合途徑，有兩種方式：一種是傳導耦合方式，另一種是輻射耦合方式。

傳導耦合是騷擾源與敏感電路之間的主要耦合途徑之一。傳導耦合必須在騷擾源與敏感電路之間存在有完整的電路連接，電磁騷擾沿著(zhù)這一連接電路從騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感電路，產(chǎn)生電磁干擾。傳導耦合的連接電路包括互連導線(xiàn)、電源線(xiàn)、信號線(xiàn)、接地導體、設備的導電構件、公共阻抗、電路元件等。

輻射耦合是電磁騷擾通過(guò)其周?chē)拿浇橐噪姶挪ǖ男问较蛲鈧鞑?，騷擾電磁能量按電磁場(chǎng)的規律向周?chē)臻g發(fā)射。輻射耦合的途徑主要有天線(xiàn)、電纜（導線(xiàn)）、機殼的發(fā)射對組合。通常將輻射耦合劃分為三種：①天線(xiàn)與天線(xiàn)之間的耦合，指的是天線(xiàn)A發(fā)射的電磁波被另一天線(xiàn)B無(wú)意接收，從而導致天線(xiàn)A對天線(xiàn)B產(chǎn)生功能性電磁干擾；②場(chǎng)與線(xiàn)的耦合，指的是空間電磁場(chǎng)對存在于其中的導線(xiàn)實(shí)施感應耦合，從而在導線(xiàn)上形成分布電磁騷擾源；③線(xiàn)與線(xiàn)的感應耦合，指的是導線(xiàn)之間以及某些部件之間的高頻感應耦合。

實(shí)際工程中，敏感電路受到電磁干擾侵襲的耦合途徑是傳導耦合、輻射耦合、感應耦合以及它們的組合。

電磁干擾源、干擾傳播途徑和敏感電路是電磁干擾的三要素，怎樣減小或抑制電磁干擾，主要應從以上三個(gè)方面入手，以獲得良好的電磁兼容性。

3.1   從電源著(zhù)手減小電源對系統的干擾以及電源內阻形成的傳導騷擾耦合

（1）選擇功率合適、漏磁小且內阻小的變壓器組成電源，以減小變壓器漏磁耦合到系統中，形成低頻電源干擾（必要時(shí)，還須對變壓器進(jìn)行屏蔽）。同時(shí)由于變壓器內阻小，可減小電源內阻，從而減弱通過(guò)公共阻抗形成的電磁騷擾傳導耦合。

（2）改善電源的濾波和穩壓措施，以減小電源內阻及紋波電壓。

（3）對于電流大、可能形成較強騷擾源的部件（如：直流電動(dòng)機、步進(jìn)電

動(dòng)機），為了消除其通過(guò)公共阻抗對系統形成干擾，可采用獨立電源對其供電。

3.2  改善地線(xiàn)系統

理想的地線(xiàn)是一個(gè)零阻抗，零電位的物理實(shí)體，它不僅是信號的參考點(diǎn)，而且電流流過(guò)時(shí)不會(huì )產(chǎn)生電壓降。在具體的電氣、電子系統中，這種理想地線(xiàn)是不存在的，當電流流過(guò)地線(xiàn)時(shí)，必然會(huì )產(chǎn)生電壓降，從而形成騷擾。據此可根據地線(xiàn)中干擾形成機理可歸結為以下兩點(diǎn)，第一，減小地線(xiàn)阻抗和電源饋線(xiàn)阻抗。第二，正確選擇接地方式和阻隔地環(huán)路。按接地方式來(lái)分有懸浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、混合接地。

如果敏感線(xiàn)路的干擾主要來(lái)自外部空間或系統外殼，此時(shí)可采用懸浮地的方式加以解決，但是懸浮地設備容易產(chǎn)生靜電積累，當電荷達到一定程度后，會(huì )產(chǎn)生靜電放電，所以懸浮地不宜用于一般的電子系統。

單點(diǎn)接地適用于頻率低于1MHz的低頻電路，為防止工頻電流及其他雜散電流在信號地線(xiàn)上各點(diǎn)之間產(chǎn)生電位差，信號地線(xiàn)應與電源及安全地線(xiàn)隔離，在電源線(xiàn)接地處單點(diǎn)連接。

多點(diǎn)接地方式適用于頻率高于10MHz的高頻電路，為使多點(diǎn)接地有效，接地導體長(cháng)度不應超過(guò)最高頻率的1/10波長(cháng)。

混合接地即包含了單點(diǎn)接地的特性，也包含了多點(diǎn)接地的特性，所于，混合接地適用于既然有高頻又有低頻的電子線(xiàn)路中，一般來(lái)說(shuō)，當信號頻率在1~10MHz之間時(shí)，比適合采用混合接地方式。

3.3  屏蔽

屏蔽是提高電子系統和電子設備電磁兼容性能的重要措施之一，它能有效的抑制通過(guò)空間傳播的各種電磁干擾。屏蔽按機理可分為磁場(chǎng)屏蔽與電場(chǎng)屏蔽及電磁屏蔽。電場(chǎng)屏蔽應注意以下幾點(diǎn)：①選擇高導電性能的材料，并且要有良好的接地。②正確選擇接地點(diǎn)及合理的形狀，最好是屏蔽體直接接地。磁場(chǎng)屏蔽通常只是指對直流或甚低頻磁場(chǎng)的屏蔽，其屏蔽效能遠不如電場(chǎng)屏蔽和電磁屏蔽，磁屏蔽應注意：①要選用鐵磁性材料作屏蔽體。②磁屏蔽體要遠離有磁性的元件，防止磁短路。③可采用雙層屏蔽甚至三層屏蔽。④屏蔽體上的開(kāi)孔要注意開(kāi)孔的方向，盡可能使縫隙的長(cháng)邊平行于磁通流向。一般來(lái)說(shuō)，磁屏蔽不需要接地，但為防止電場(chǎng)感應，還是接地為好。電磁場(chǎng)在通過(guò)金屬或對電磁場(chǎng)有衰減作用的阻擋體時(shí)，會(huì )受到一定程度的衰減，即產(chǎn)生對電磁場(chǎng)的屏蔽作用，所于，高導電性能的材料可作為高頻電磁場(chǎng)的屏蔽體。

3.4  濾波

實(shí)踐表明，即使一個(gè)經(jīng)過(guò)很好設計且具有正確的屏蔽和接地措施的電子系統，也仍然會(huì )有傳導騷擾發(fā)射或傳導騷擾進(jìn)入系統。濾波是壓縮信號回路騷擾頻譜的一種方法，當騷擾頻譜成分不同于有用型號的頻帶時(shí)，可以用濾波器將無(wú)用的騷擾濾除。濾波器將有用信號和騷擾的頻譜隔離越完善，它對減少有用信號回路內的騷擾的效果越好。

例如（2003年）第六屆全國大學(xué)生電子設計賽中的“液體點(diǎn)滴速度監控裝置”，其液體點(diǎn)滴速度信號是由光電傳感器獲取，由于光電傳感器內阻很大，所于應選擇高輸入電阻的放大器將其放大，但這時(shí)，直流電動(dòng)機的騷擾很容易通過(guò)傳導耦合對被測信號形成干擾?？紤]到被檢測的點(diǎn)滴速度信號的頻率很低，而電動(dòng)機騷擾頻譜在數百Hz以上。因而，我們很容易利用低通濾波器將電動(dòng)機騷擾濾除或減弱。

3.5  改善印制板（PCB）布局、布線(xiàn)減弱騷擾源與敏感電路之間的耦合

為了減弱系統中各子系統之間的相互干擾，在印制板設計、布局、布線(xiàn)時(shí)應注意以下原則：

(1)在PCB設計中，如果電路系統同時(shí)存在數字電路、模擬電路以及大電流電路，則必須分開(kāi)布局，使各系統之間耦合達到最小。

(2)熱敏元件要盡量遠離大功率元件。

(3)在布局時(shí)IC去耦電容要盡量靠近IC芯片的電源和地線(xiàn)引腳，否則濾波效果會(huì )變差。在數字電路中，為保證數字電路系統可靠工作，在每一數字集成電路芯片（包括門(mén)電路和抗干擾能力較差的CPU、RAM、ROM芯片）的電源和地之間均設置了IC去耦電容。

(4)時(shí)鐘電路元件應盡量靠近CPU時(shí)鐘引腳。數字電路，尤其是單片機控制系統中的時(shí)鐘電路，最容易產(chǎn)生電磁輻射，干擾系統中其他元器件。

(5)印制導線(xiàn)轉折點(diǎn)內角不能小于90