產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計(jì)（連載）

第一講產(chǎn)品騷擾的抑制方法

造成設(shè)備性能降級(jí)或失效的電磁干擾必須具備三個(gè)要素，即有一個(gè)電磁騷擾源；有一臺(tái)對(duì)干擾敏感的設(shè)備；及有一條電磁干擾的傳播途徑。為解決設(shè)備的電磁兼容問(wèn)題，無(wú)論從抑制騷擾源逸出，或切斷電磁干擾的傳播通路，或提高設(shè)備自身的抗干擾能力，都能取得滿意效果。為此，本講座擬從三個(gè)不同側(cè)面討論提高設(shè)備電磁兼容的措施，包括產(chǎn)品騷擾的抑制方法；提高產(chǎn)品抗擾度的方法；產(chǎn)品內(nèi)部的電磁兼容性設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

　　首先討論產(chǎn)品騷擾的抑制方法。

　　產(chǎn)品騷擾的抑制有三種基本方法，即接地、屏蔽和濾波。每種方法在電路與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中各有獨(dú)特作用，但在使用上又是相互關(guān)連。如良好的接地可降低設(shè)備對(duì)屏蔽和濾波的要求；而良好的屏蔽也能降低對(duì)濾波的要求。

1接地

　　“接地”有設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)接地和設(shè)備接大地，兩者概念不同，目的也不同。

1.1設(shè)備的信號(hào)接地

　　設(shè)備的信號(hào)接地，可能是以設(shè)備中的某一點(diǎn)或一塊金屬薄板來(lái)作為信號(hào)的接地參考點(diǎn)，它為設(shè)備中的所有信號(hào)提供了一個(gè)公共參考電位。

　　實(shí)用中有三種基本的信號(hào)接地方式，即浮地、單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。

　?。?）浮地

　　采用浮地的目的是將電路或設(shè)備與公共接地系統(tǒng)，或可能引起環(huán)流的公共導(dǎo)線隔離開來(lái)。浮地還可以使不同電位間的電路配合變得容易。

　　實(shí)現(xiàn)電路或設(shè)備浮地的方法有變壓器隔離和光電隔離。

　　浮地的最大優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性能好。

　　浮地的缺點(diǎn)是由于設(shè)備不與公共地相連，容易在兩者間造成靜電積累，當(dāng)電荷積累到一定程度后，在設(shè)備地與公共地之間的電位差可能引起劇烈的靜電放電，而成為破壞性很強(qiáng)的騷擾源。

　　一個(gè)折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個(gè)阻值很大的泄放電阻，用以釋放所積聚的電荷。注意控制泄放電阻的阻抗，太低的電阻值會(huì)影響設(shè)備泄漏電流的合格性。

　?。?）單點(diǎn)接地

　　單點(diǎn)接地是指在一個(gè)電路或設(shè)備中只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)，電路或設(shè)備中凡需要接地的點(diǎn)都被接至這一點(diǎn)。

　　對(duì)一個(gè)系統(tǒng)，如采用單點(diǎn)接地，則系統(tǒng)中的每個(gè)設(shè)備都有自己的單點(diǎn)接地點(diǎn)，然后各設(shè)備的“地”再與系統(tǒng)中唯一指定的參考接地點(diǎn)相連。

　　單點(diǎn)接地的缺點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)工作頻率很高時(shí)，以致信號(hào)的波長(zhǎng)可與接地線長(zhǎng)度相比擬時(shí)（如達(dá)到1/4波長(zhǎng)），接地線就不能作為一根普通連接線考慮，它會(huì)呈現(xiàn)某種電抗效應(yīng)，使接地效果不理想，此時(shí)必須引進(jìn)多點(diǎn)接地概念。

　?。?）多點(diǎn)接地

　　多點(diǎn)接地指設(shè)備中凡需要接地的點(diǎn)都直接接到距它最近的接地平面上，以便使接地線最短。這里說(shuō)的接地平面可以是設(shè)備的底板、專用接地母線，甚至是設(shè)備的框架。

　　多點(diǎn)接地的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，凡需要接地的點(diǎn)都可以就近接地，從而使接地線上出現(xiàn)高波駐波的現(xiàn)象大為減少。故多點(diǎn)接地在高頻下使用有上佳表現(xiàn)。

　　多點(diǎn)接地對(duì)接地點(diǎn)的維護(hù)要求較高，任何一些因銹蝕或松動(dòng)等原因，均可造成接地效果變差，使設(shè)備工作不可靠。

圖1.1干擾源的電位梯度

圖1.2金屬板屏蔽

圖1.3磁場(chǎng)屏蔽

　　（4）混合接地

　　單點(diǎn)和多點(diǎn)接地的各自優(yōu)缺點(diǎn)，促使人們想到了混合接地。只將需要就近接地的點(diǎn)，就近直接與接地平面相連（或?qū)π枰哳l接地的點(diǎn)，通過(guò)旁路電容與接地平面相連），其余各點(diǎn)均采用單點(diǎn)接地。

　　單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地的分界常以流通信號(hào)波長(zhǎng)λ的0.05倍為界，凡單點(diǎn)接地線長(zhǎng)度達(dá)到0.05λ以上時(shí)，就應(yīng)當(dāng)用多點(diǎn)接地。

　?。?）信號(hào)接地線的處理

　　信號(hào)接地是在指定的兩個(gè)點(diǎn)（其中有一個(gè)被稱為“地”的參考點(diǎn)）間建立導(dǎo)電通路，以便實(shí)現(xiàn)電路與機(jī)殼，或電路與指定接地板之間的連接。最關(guān)鍵的是要強(qiáng)調(diào)連接良好，建立低阻抗的通路，這對(duì)射頻電流在接地回路中的流動(dòng)特別重要。

1.2設(shè)備的接大地

　　（1）設(shè)備的接大地

　　實(shí)用中，除認(rèn)真考慮設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)接地外，通常還要將設(shè)備的信號(hào)地、機(jī)殼與大地連在一起，并以大地作為設(shè)備的接地參考點(diǎn)。設(shè)備接大地的目的有三個(gè)：

　?、僭O(shè)備的安全接地，保證了對(duì)設(shè)備的操作人員實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)。

　?、谛狗艡C(jī)箱上所積聚的電荷，避免因電荷積聚使機(jī)箱電位升高，造成電路工作的不穩(wěn)定。

　?、郾苊庠O(shè)備在外界電磁環(huán)境的作用下使設(shè)備對(duì)大地的電位發(fā)生變化，造成設(shè)備工作的不穩(wěn)定。

　　由此可見，設(shè)備接大地除了對(duì)人員安全、設(shè)備安全的考慮外，也是抑制干擾發(fā)生的重要手段。實(shí)用中，如能將接地與屏蔽、濾波等技術(shù)配合使用，將會(huì)對(duì)提高設(shè)備的電磁兼容性起到事半功倍的作用。

　?。?）接大地的方法與接地電阻

　　接大地有效性的重要指標(biāo)是接地電阻。接地電阻除與接地電極的制作方式有關(guān)外，也和大地自身的性質(zhì)有關(guān)。

　　人們習(xí)慣把地下金屬管道作為接地電極，由于它與大地有較大的接觸面積，可取得較小的接地電阻。但做法不規(guī)范，流入管道的故障電流和雜散電流容易對(duì)管道檢修人員造成傷害。此外，任何非金屬的管道構(gòu)件都能使接地的有效性受到破壞。

　　正確的接大地方法是用直徑1cm～2cm的銅棒（長(zhǎng)2m～4m）打入地下，深度在2m以上。一根銅棒的接地電阻在25Ω左右，這對(duì)一些小功率電氣設(shè)備已足夠用。若要更小的接地電阻，可增加銅棒附近地域的鹽份和水份，必要時(shí)還可將幾根銅棒互連成網(wǎng)。在權(quán)衡設(shè)備投資及防雷、防電源故障和防電磁脈沖的要求后，接地電阻以10Ω為設(shè)計(jì)目標(biāo)是合理的。

2屏蔽

　　屏蔽能有效抑制通過(guò)空間傳播的電磁干擾。采用屏蔽的目的有兩個(gè)：一是限制設(shè)備內(nèi)部的輻射電磁能越出某一區(qū)域；二是防止外部的輻射電磁能進(jìn)入某一區(qū)域。

　　按屏蔽所起的作用分，有電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽三種。

2.1電場(chǎng)屏蔽

　　設(shè)備中電位不同物體間（包括導(dǎo)線間）的相互感應(yīng)可看成是分布電容間的電壓分配（參見圖1.1）。圖1.1中，干擾源A與受感應(yīng)物B之間的電壓關(guān)系為UB=　　為減弱A對(duì)B的感應(yīng)，可采用的方法有：

　?。?）增大A、B間距離，以便減小分布電容C1。

　　（2）盡可能讓B貼近接地板，以增大B對(duì)地的電容C2。

　?。?）在A、B間插入金屬屏蔽板（參見圖1.2）。

　　屏蔽板的作用是：

　　①屏蔽板的存在，增大了A、B之間的距離，結(jié)果使A、B間的分布電容C1′減小。

　?、诋?dāng)屏蔽板靠近被保護(hù)的B時(shí)，使B的對(duì)地電容C4增大。而C4的作用與地位與C2是相同的。

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　　在圖1.2中，對(duì)屏蔽板的厚度無(wú)特殊要求，但要求其為良導(dǎo)體，強(qiáng)度要足夠，且接地要良好。

2.2磁場(chǎng)屏蔽

　　磁場(chǎng)屏蔽通常是指對(duì)直流或低頻磁場(chǎng)的屏蔽，其效果比起對(duì)電場(chǎng)和電磁場(chǎng)的屏蔽要差得多。

　　磁場(chǎng)屏蔽的主要機(jī)理是利用屏蔽體的高導(dǎo)磁率、低磁阻特性對(duì)磁通所起的磁分路作用，使屏蔽體內(nèi)部的磁場(chǎng)大大削弱（圖1.3）。

　　磁場(chǎng)屏蔽的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：

　　（1）選用高導(dǎo)磁率的材料，以減少屏蔽體的磁阻。

　　（2）增加屏蔽體的壁厚，同樣還是減少屏蔽體的磁阻。

　?。?）被屏蔽物要放在屏蔽體中心位置，盡可能不讓磁通經(jīng)過(guò)被屏蔽物，避免降低屏蔽效果。

　?。?）注意屏蔽體的結(jié)構(gòu)，凡縫隙、通風(fēng)孔等應(yīng)順著磁場(chǎng)方向分布，盡可能不阻斷磁通的通過(guò)。

　　（5）對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)可采用雙層屏蔽體結(jié)構(gòu)。當(dāng)要屏蔽外部強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，要求外層屏蔽體選用不易磁飽和的材料，如硅鋼等；內(nèi)層則用容易達(dá)到飽和的高導(dǎo)磁材料，如坡莫合金等。反之，屏蔽體的材料使用次序也顛倒過(guò)來(lái)。兩層屏蔽體在安裝時(shí)要注意彼此間的磁路絕緣。如屏蔽體無(wú)接地要求，可用絕緣材料作支撐。如要求接地，可用非鐵磁材料的金屬作支撐。從屏蔽體可兼有電、磁屏蔽功能出發(fā)，通常是要接地的。

2.3電磁場(chǎng)屏蔽

　　電磁場(chǎng)屏蔽的目的是要阻止電磁場(chǎng)在空間傳播。

　　與電場(chǎng)和磁場(chǎng)屏蔽的機(jī)理不同，電磁場(chǎng)屏蔽的機(jī)理是：

　?。?）屏蔽體金屬表面對(duì)電磁波的反射作用（就這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，對(duì)屏蔽體的厚度無(wú)要求）。

　?。?）未被完全反射的電磁波在進(jìn)入屏蔽體內(nèi)部時(shí)，繼續(xù)向前傳播的過(guò)程中會(huì)被屏蔽體金屬所吸收。

　?。?）當(dāng)部分未被吸收掉的電磁波透過(guò)金屬到達(dá)屏蔽體另一表層時(shí)，在金屬與空氣交界面上會(huì)再次形成反射，重返屏蔽體內(nèi)部，結(jié)果在屏蔽體內(nèi)部形成多次反射和吸收現(xiàn)象（當(dāng)然最終還會(huì)有少量電磁波透過(guò)屏蔽體而進(jìn)入被保護(hù)空間）。

　　因此，電磁屏蔽是基于金屬材料對(duì)電磁波的反射和吸收兩個(gè)作用來(lái)完成的。

3濾波

　　由于濾波的本身具有雙向作用（既可抑制從設(shè)備電源線引出的傳導(dǎo)騷擾，又可降低從電網(wǎng)引入的傳導(dǎo)干擾），因此，濾波部分的內(nèi)容放在提高產(chǎn)品抗擾度方法中一起討論。