關(guān)于解決電子設(shè)備的各種電磁干擾問(wèn)題分析

電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，必然導(dǎo)致它們?cè)谄渲車(chē)臻g產(chǎn)生的電磁場(chǎng)電平的不斷增加。也就是說(shuō)，電子設(shè)備不可避免地在電磁環(huán)境(EME)中工作。因此，必須解決電子設(shè)備在電磁環(huán)境中的適應(yīng)能力。電磁兼容性(EMC)是一門(mén)關(guān)于抗電磁干擾(EMI)影響的科學(xué)。目前，就世界范圍來(lái)說(shuō)，電磁兼容性問(wèn)題已經(jīng)形成一門(mén)新的學(xué)科。電磁兼容的中心課題是研究控制和消除電磁干擾，使電子設(shè)備或系統(tǒng)與其它設(shè)備聯(lián)系在一起工作時(shí)，不引起設(shè)備或系統(tǒng)的任何部分的工作性能的惡化或降低。一個(gè)設(shè)計(jì)理想的電子設(shè)備或系統(tǒng)應(yīng)該既不輻射任何不希望的能量，又應(yīng)該不受任何不希望有的能量的影響。

2 電磁干擾源的分類(lèi)

——各種形式的電磁干擾是影響電子設(shè)備電磁兼容性的主要因素，因此，它是電磁兼容性設(shè)計(jì)中需要研究的重要內(nèi)容。

2.1 內(nèi)部干擾

——內(nèi)部干擾是指電子設(shè)備內(nèi)部各元部件之間的相互干擾，包括以下幾種。

——(1)工作電源通過(guò)線路的分布電容和絕緣電阻產(chǎn)生漏電造成的干擾;(與工作頻率有關(guān))

——(2)信號(hào)通過(guò)地線、電源和傳輸導(dǎo)線的阻抗互相耦合，或?qū)Ь€之間的互感造成的干擾;

——(3)設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部某些元件發(fā)熱，影響元件本身或其它元件的穩(wěn)定性造成的干擾;

——(4)大功率和高電壓部件產(chǎn)生的磁場(chǎng)、電場(chǎng)通過(guò)耦合影響其它部件造成的干擾。

2.2 外部干擾

——外部干擾是指電子設(shè)備或系統(tǒng)以外的因素對(duì)線路、設(shè)備或系統(tǒng)的干擾，包括以下幾種。

——(1)外部的高電壓、電源通過(guò)絕緣漏電而干擾電子線路、設(shè)備或系統(tǒng);

——(2)外部大功率的設(shè)備在空間產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，通過(guò)互感耦合干擾電子線路、設(shè)備或系統(tǒng);

——(3)空間電磁波對(duì)電子線路或系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾;

——(4)工作環(huán)境溫度不穩(wěn)定，引起電子線路、設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部元器件參數(shù)改變?cè)斐傻母蓴_;

——(5)由工業(yè)電網(wǎng)供電的設(shè)備和由電網(wǎng)電壓通過(guò)電源變壓器所產(chǎn)生的干擾。

3 干擾的傳遞途徑

——當(dāng)干擾源的頻率較高、干擾信號(hào)的波長(zhǎng)又比被干擾的對(duì)象結(jié)構(gòu)尺寸小，或者干擾源與被干擾者之間的距離r>>λ/2π時(shí)，則干擾信號(hào)可以認(rèn)為是輻射場(chǎng)，它以平面電磁波形式向外副射電磁場(chǎng)能量進(jìn)入被干擾對(duì)象的通路。

——(2)干擾信號(hào)以漏電和耦合形式，通過(guò)絕緣支承物等(包括空氣)為媒介，經(jīng)公共阻抗的耦合進(jìn)入被干擾的線路、設(shè)備或系統(tǒng)。

——如果干擾源的頻率較低，干擾信號(hào)的波長(zhǎng)λ比被干擾對(duì)象的結(jié)構(gòu)尺寸長(zhǎng)，或者干擾源與干擾對(duì)象之間的距離r<<λ/2π，則干擾源可以認(rèn)為是似穩(wěn)場(chǎng)，它以感應(yīng)場(chǎng)形式進(jìn)入被干擾對(duì)象的通路。

——(3)干擾信號(hào)可以通過(guò)直接傳導(dǎo)方式引入線路、設(shè)備或系統(tǒng)。

4 電磁兼容性設(shè)計(jì)的基本原理

4.1 接地

——接地是電子設(shè)備的一個(gè)很重要問(wèn)題。接地目的有三個(gè)：

——(1)接地使整個(gè)電路系統(tǒng)中的所有單元電路都有一個(gè)公共的參考零電位，保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定地干作。

——(2)防止外界電磁場(chǎng)的干擾。機(jī)殼接地可以使得由于靜電感應(yīng)而積累在機(jī)殼上的大量電荷通過(guò)大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設(shè)備內(nèi)部的火花放電而造成干擾。另外，對(duì)于電路的屏蔽體，若選擇合適的接地，也可獲得良好的屏蔽效果。

——(3)保證安全工作。當(dāng)發(fā)生直接雷電的電磁感應(yīng)時(shí)，可避免電子設(shè)備的毀壞;當(dāng)工頻交流電源的輸入電壓因絕緣不良或其它原因直接與機(jī)殼相通時(shí)，可避免操作人員的觸電事故發(fā)生。此外，很多醫(yī)療設(shè)備都與病人的人體直接相連，當(dāng)機(jī)殼帶有110V或220V電壓時(shí)，將發(fā)生致命危險(xiǎn)。

——因此，接地是抑制噪聲防止干擾的主要方法。接地可以理解為一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面，是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位，但不一定為大地電位。為了防止雷擊可能造成的損壞和工作人員的人身安全，電子設(shè)備的機(jī)殼和機(jī)房的金屬構(gòu)件等，必須與大地相連接，而且接地電阻一般要很小，不能超過(guò)規(guī)定值。

——電路的接地方式基本上有三類(lèi)，即單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。單點(diǎn)接地是指在一個(gè)線路中，只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)。其它各個(gè)需要接地的點(diǎn)都直接接到這一點(diǎn)上。多點(diǎn)接地是指某一個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)接地點(diǎn)都直接接到距它最近的接地平面上，以使接地引線的長(zhǎng)度最短。接地平面，可以是設(shè)備的底板，也可以是貫通整個(gè)系統(tǒng)的地導(dǎo)線，在比較大的系統(tǒng)中，還可以是設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架等等?；旌辖拥厥菍⒛切┲恍韪哳l接地點(diǎn)，利用旁路電容和接地平面連接起來(lái)。但應(yīng)盡量防止出現(xiàn)旁路電容和引線電感構(gòu)成的諧振現(xiàn)象。

4.2 屏面

——屏蔽就是對(duì)兩個(gè)空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個(gè)系統(tǒng)的干擾源包圍起來(lái)，防止干擾電磁場(chǎng)向外擴(kuò)散;用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來(lái)，防止它們受到外界電磁場(chǎng)的影響。

——因?yàn)槠帘误w對(duì)來(lái)自導(dǎo)線、電纜、元部件、電路或系統(tǒng)等外部的干擾電磁波和內(nèi)部電磁波均起著吸收能量(渦流損耗)、反射能量(電磁波在屏蔽體上的界面反射)和抵消能量(電磁感應(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場(chǎng)，可抵消部分干擾電磁波)的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能。

——屏蔽體材料選擇的原則是：

——(1)當(dāng)干擾電磁場(chǎng)的頻率較高時(shí)，利用低電阻率(高電導(dǎo)率)的金屬材料中產(chǎn)生的渦流(P=I2R，電阻率越低(電導(dǎo)率越高)，消耗的功率越大)，形成對(duì)外來(lái)電磁波的抵消作用，從而達(dá)到屏蔽的效果。

——(2)當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時(shí)，要采用高導(dǎo)磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)部，防止擴(kuò)散到屏蔽的空間去。

——(3)在某些場(chǎng)合下，如果要求對(duì)高頻和低頻電磁場(chǎng)都具有良好的屏蔽效果時(shí)，往往采用不同的金屬材料組成多層屏蔽體。

4.3 其它抑制干擾方法

——(1)濾波

——濾波是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。濾波器可以顯著地減小傳導(dǎo)干擾的電平，因?yàn)楦蓴_頻譜成份不等于有用信號(hào)的頻率，濾波器對(duì)于這些與有用信號(hào)頻率不同的成份有良好的抑制能力，從而起到其它干擾抑制難以起到的作用。所以，采用濾波網(wǎng)絡(luò)無(wú)論是抑制干擾源和消除干擾耦合，或是增強(qiáng)接收設(shè)備的抗干擾能力，都是有力措施。用阻容和感容去耦網(wǎng)絡(luò)能把電路與電源隔離開(kāi)，消除電路之間的耦合，并避免干擾信號(hào)進(jìn)入電路。對(duì)高頻電路可采用兩個(gè)電容器和一個(gè)電感器(高頻扼流圈)組成的CLCMπ型濾波器。濾波器的種類(lèi)很多，選擇適當(dāng)?shù)臑V波器能消除不希望的耦合。

——(2)正確選用無(wú)源元件

——實(shí)用的無(wú)源元件并不是“理想”的，其特性與理想的特性是有差異的。實(shí)用的元件本身可能就是一個(gè)干擾源，因此正確選用無(wú)源元件非常重要。有時(shí)也可以利用元件具有的特性進(jìn)行抑制和防止干擾。

——(3)電路技術(shù)

——有時(shí)候采用屏蔽后仍不能滿足抑制和防止干擾的要求，可以結(jié)合屏蔽，采取平衡措施等電路技術(shù)。平衡電路是指雙線電路中的兩根導(dǎo)線與連接到這兩根導(dǎo)線的所有電路，對(duì)地或?qū)ζ渌鼘?dǎo)線都具有相同的阻抗。其目的在于使兩根導(dǎo)線所檢拾到的干擾信號(hào)相等。這時(shí)的干擾噪聲是一個(gè)共態(tài)信號(hào)，可在負(fù)載上自行消失。另外，還可采用其它一些電路技術(shù)，例如接點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，整形電路，積分電路和選通電路等等?？傊捎秒娐芳夹g(shù)也是抑制和防止干擾的重要措施。

5 電磁兼容性問(wèn)題的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

——在電磁兼容性方面有一系列各國(guó)必須遵守的國(guó)際協(xié)定以及建設(shè)性的規(guī)則。電磁兼容性有關(guān)組織——國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)(IEC)的國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)(CISPR)，主要研究無(wú)線電系統(tǒng)中干擾噪聲的測(cè)量。1976年，CISPR開(kāi)始制訂電磁干擾的EMI標(biāo)準(zhǔn)。1900年10月在幾經(jīng)修訂基礎(chǔ)上公布再版標(biāo)準(zhǔn)，隨后該委員會(huì)還與國(guó)際無(wú)線通信資詢委員會(huì)一起審議，為電子產(chǎn)品電磁兼容性的檢測(cè)制訂數(shù)據(jù)要求及具體方法。制訂了以信息技術(shù)裝置噪聲為對(duì)象的“工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)療用無(wú)線電儀器的干擾特性允許值及其測(cè)量方法”(標(biāo)準(zhǔn)11號(hào));“車(chē)輛、機(jī)動(dòng)船和火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置無(wú)線電干擾特性的測(cè)量方法及允許值”(標(biāo)準(zhǔn)12號(hào));“無(wú)線電和電視接收機(jī)的無(wú)線電干擾特性的測(cè)量方法及允許值”(標(biāo)準(zhǔn)13號(hào))等。直至1992年中期，國(guó)際EMI標(biāo)準(zhǔn)才最終完善起來(lái)。CISPR推薦的容限已為世界上許多國(guó)家所采納，并作為其國(guó)家條例的基礎(chǔ)。

——無(wú)線電發(fā)射機(jī)功率電平是影響周?chē)鸁o(wú)線電電子設(shè)備，產(chǎn)生干擾電平的一個(gè)重要因素。因此無(wú)線電發(fā)射機(jī)功率電平應(yīng)該受到限制。例如，根據(jù)無(wú)線電通信咨詢委員會(huì)357-1號(hào)建議，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面微波中繼通信線路共同使用的(5800～8100MHz)頻段上，當(dāng)給到天線上的功率不超過(guò)13dBW時(shí)，應(yīng)該限制微波中繼通信線路的發(fā)射機(jī)有效輻射功率(即發(fā)射機(jī)功率和天線增益的乘積)數(shù)值為55dBW。建議同時(shí)限制衛(wèi)星通信的地面站的功率及通信衛(wèi)星輻射功率通量密度。許多其它的無(wú)線電業(yè)務(wù)，例如業(yè)余無(wú)線電愛(ài)好者的，移動(dòng)通信系統(tǒng)等的發(fā)射機(jī)功率的最大值也應(yīng)該受到限制。

——頻率規(guī)劃在全國(guó)和全世界范圍內(nèi)已被廣泛采用，是提高射頻資源利用率的一種途徑，也是保證無(wú)線電電子設(shè)備電磁兼容性的重要措施之一。因此應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)際協(xié)議(無(wú)線電頻率分配表)和全國(guó)文件，實(shí)行國(guó)家、地區(qū)的頻帶劃分和業(yè)務(wù)之間的頻帶分配。根據(jù)頻率—空間分配的原理進(jìn)行無(wú)線頻道分配。頻率規(guī)劃必須保證每個(gè)無(wú)線電電子設(shè)備干擾電平最小，或消除干擾，由國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)。

——近年來(lái)，我國(guó)許多部門(mén)都在開(kāi)展電磁兼容性的試驗(yàn)研究和有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。例如，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3907-83為工業(yè)無(wú)線電干擾基本測(cè)量方法;GB4824.1-84為工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療射頻設(shè)備無(wú)線電干擾允許值;GB6279-86為車(chē)輛、機(jī)動(dòng)船和火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置無(wú)線電特性測(cè)量方法及允許值等。國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)對(duì)工、科、醫(yī)等電子設(shè)備的使用頻率、帶寬和最大輻射場(chǎng)強(qiáng)都作出了具體規(guī)定。這對(duì)保證電子設(shè)備的正常工作和人民的正常生活以及促進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)更迅速發(fā)展，都起了重要的作用。

6 一些典型電磁兼容性問(wèn)題的解決

——由于電子技術(shù)在各行各業(yè)中的廣泛應(yīng)用，在人類(lèi)活動(dòng)的空間無(wú)處不充斥著電磁波，因此，電子設(shè)備不解決電磁波干擾問(wèn)題，就不能兼容工作。在實(shí)際應(yīng)用中，人們?cè)谘芯靠垢蓴_技術(shù)方面也積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，不斷地研究出許多實(shí)用的方法來(lái)消除電磁干擾。

——實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)汽車(chē)工作時(shí)，電磁干擾相當(dāng)突出，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞電子元器件。因此，汽車(chē)電子設(shè)備的電磁環(huán)境最為惡劣，汽車(chē)電子設(shè)備的電磁兼容性問(wèn)題也特別受到人們的重視。汽車(chē)點(diǎn)火所產(chǎn)生的高頻輻射最為突出。日本和美國(guó)等先進(jìn)國(guó)家的環(huán)保部門(mén)為防止汽車(chē)電氣噪聲對(duì)環(huán)境的污染，規(guī)定只能使用帶阻尼(如碳芯)的屏蔽線作為點(diǎn)火線，實(shí)踐表明這是很有效的措施。

——為了解決微電技術(shù)，尤其是計(jì)算機(jī)在汽車(chē)上的應(yīng)用和推廣，根據(jù)需要和實(shí)際要求，可以設(shè)計(jì)出效果良好的濾波電路，置于前級(jí)可使大多數(shù)因傳導(dǎo)而進(jìn)入系統(tǒng)的干擾噪聲消除在電路系統(tǒng)的入口處;可以設(shè)置隔離電路，如變壓器隔離和光電隔離等解決通過(guò)電源線、信號(hào)線和地線進(jìn)入電路的傳導(dǎo)干擾，同時(shí)阻止因公共阻抗、長(zhǎng)線傳輸而引起的干擾;也可以設(shè)置能量吸收回路，從而減少電路、器件吸收的噪聲能量;或通過(guò)選擇元器件和合理安排電路系統(tǒng)，使干擾的影響減小。

——微機(jī)設(shè)備的軟件抗干擾主要是穩(wěn)定內(nèi)存數(shù)據(jù)和保證程序指針。微機(jī)是一個(gè)可編程控制裝置，軟件可以支持和加強(qiáng)硬件的抗干擾能力。如果微機(jī)系統(tǒng)中隨機(jī)內(nèi)存RAM主要用于測(cè)量和控制時(shí)數(shù)據(jù)的暫時(shí)存放，內(nèi)存空間較小，對(duì)存放的數(shù)據(jù)而言，若將采集到的幾組數(shù)據(jù)求平均值作為采樣結(jié)果，可避免在采集時(shí)因干擾而破壞了數(shù)據(jù)的真實(shí)性;如果存放在隨機(jī)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)因干擾而丟失或者數(shù)據(jù)發(fā)生變化，可以在隨機(jī)內(nèi)存區(qū)設(shè)置檢驗(yàn)標(biāo)志;為了減少干擾對(duì)隨機(jī)內(nèi)存區(qū)的破壞，可在隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片的寫(xiě)信號(hào)線上加觸發(fā)裝置，只有在CPU寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)才發(fā)。軟件抗干擾的措施也很多，如數(shù)字濾波程序、抗窄脈沖的延時(shí)程序、邏輯狀態(tài)的真?zhèn)闻袆e等。有時(shí)候，必須采用軟件和硬件相結(jié)合的辦法才能抑制干擾，常用的辦法是設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，從而保護(hù)程序正常運(yùn)行。

——近年來(lái)，電子儀器向著“輕、薄、短、小”和多功能、高性能及成本低方向發(fā)展。塑料機(jī)箱、塑料部件或面板廣泛地應(yīng)用于電子儀器上，于是外界電磁波很容易穿透外殼或面板，對(duì)儀器的正常工作產(chǎn)生有害的干擾，而儀器所產(chǎn)生的電磁波，也非常容易輻射到周?chē)臻g，影響其它電子儀器的正常工作。為了使這種電子儀器能滿足電磁兼容性要求，人們?cè)趯?shí)踐中，研究出塑料金屬化處理的工藝方法，如濺射鍍鋅、真空鍍(AL)、電鍍或化學(xué)鍍銅、粘貼金屬箔(Cu或AL)和涂覆導(dǎo)電涂料等。經(jīng)過(guò)金屬化處理之后，使完全絕緣的塑料表面或塑料本身(導(dǎo)電塑料)具有金屬那樣反射(如手機(jī))。吸收、傳導(dǎo)和衰減電磁波的特性，從而起到屏蔽電磁波干擾的作用。實(shí)際應(yīng)用中，采用導(dǎo)電涂料作屏蔽涂層，性能優(yōu)良而且價(jià)格適宜。在需要屏蔽的地方，做成一個(gè)封閉的導(dǎo)電殼體并接地，把內(nèi)外兩種不同的電磁波隔離開(kāi)。實(shí)踐表明，若屏蔽材料能達(dá)到(30～40)dB以上衰減量的屏蔽效果時(shí)，就是實(shí)用、可行的。

——由于電子技術(shù)應(yīng)用廣泛，而且各種干擾設(shè)備的輻射很復(fù)雜，要完全消除電磁干擾是不可能的。但是，根據(jù)電磁兼容性原理，可以采取許多技術(shù)措施減小電磁干擾，使電磁干擾控制到一定范圍內(nèi)，從而保證系統(tǒng)或設(shè)備的兼容性，例如，通信系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)該嚴(yán)格進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)電波測(cè)試，有針對(duì)性地選擇頻率及極化方式，避開(kāi)雷達(dá)、移動(dòng)通信等雜波干擾;高壓線選擇路徑時(shí)，應(yīng)盡量繞開(kāi)無(wú)線電臺(tái)(站)或充分利用接收地段的地形、地物屏蔽;接收設(shè)備與工業(yè)干擾源設(shè)備適當(dāng)配置，使接收設(shè)備與各種工業(yè)干擾源離開(kāi)一定距離;在微波通信電路設(shè)計(jì)中，為了減少干擾，可采用天線高低站方式調(diào)整微波電路反射點(diǎn)，并利用山頭阻擋反射波，使之不能對(duì)直射波形成干擾。另外，微波鐵塔是獨(dú)立的高大建筑物，應(yīng)采用完善的接地、屏蔽等避雷措施。