产品的电磁兼容性(EMC)设计

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      第一讲产品骚扰的抑制方法

      造成设备性能降级或失效的电磁干扰必须具备三个要素，即有一个电磁骚扰源；有一台对干扰敏感的设备；及有一条电磁干扰的传播途径。为解决设备的电磁兼容问题，无论从抑制骚扰源逸出，或切断电磁干扰的传播通路，或提高设备自身的抗干扰能力，都能取得满意效果。为此，本讲座拟从三个不同侧面讨论提高设备电磁兼容的措施，包括产品骚扰的抑制方法；提高产品抗扰度的方法；产品内部的电磁兼容性设计要点。

　　首先讨论产品骚扰的抑制方法。

　　产品骚扰的抑制有三种基本方法，即接地、屏蔽和滤波。每种方法在电路与系统的设计中各有独特作用，但在使用上又是相互关连。如良好的接地可降低设备对屏蔽和滤波的要求；而良好的屏蔽也能降低对滤波的要求。

1接地

　　“接地”有设备内部的信号接地和设备接大地，两者概念不同，目的也不同。

1.1设备的信号接地

　　设备的信号接地，可能是以设备中的某一点或一块金属薄板来作为信号的接地参考点，它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。

　　实用中有三种基本的信号接地方式，即浮地、单点接地和多点接地。

　　（1）浮地

　　采用浮地的目的是将电路或设备与公共接地系统，或可能引起环流的公共导线隔离开来。浮地还可以使不同电位间的电路配合变得容易。

　　实现电路或设备浮地的方法有变压器隔离和光电隔离。

　　浮地的最大优点是抗干扰性能好。

　　浮地的缺点是由于设备不与公共地相连，容易在两者间造成静电积累，当电荷积累到一定程度后，在设备地与公共地之间的电位差可能引起剧烈的静电放电，而成为破坏性很强的骚扰源。

　　一个折衷方案是在浮地与公共地之间跨接一个阻值很大的泄放电阻，用以释放所积聚的电荷。注意控制泄放电阻的阻抗，太低的电阻值会影响设备泄漏电流的合格性。

　　（2）单点接地

　　单点接地是指在一个电路或设备中只有一个物理点被定义为接地参考点，电路或设备中凡需要接地的点都被接至这一点。

　　对一个系统，如采用单点接地，则系统中的每个设备都有自己的单点接地点，然后各设备的“地”再与系统中唯一指定的参考接地点相连。

　　单点接地的缺点是当系统工作频率很高时，以致信号的波长可与接地线长度相比拟时（如达到1/4波长），接地线就不能作为一根普通连接线考虑，它会呈现某种电抗效应，使接地效果不理想，此时必须引进多点接地概念。

　　（3）多点接地

　　多点接地指设备中凡需要接地的点都直接接到距它最近的接地平面上，以便使接地线最短。这里说的接地平面可以是设备的底板、专用接地母线，甚至是设备的框架。

　　多点接地的优点是简单，凡需要接地的点都可以就近接地，从而使接地线上出现高波驻波的现象大为减少。故多点接地在高频下使用有上佳表现。

　　多点接地对接地点的维护要求较高，任何一些因锈蚀或松动等原因，均可造成接地效果变差，使设备工作不可靠。

图1.1干扰源的电位梯度

图1.2金属板屏蔽

图1.3磁场屏蔽

　　（4）混合接地

　　单点和多点接地的各自优缺点，促使人们想到了混合接地。只将需要就近接地的点，就近直接与接地平面相连（或对需要高频接地的点，通过旁路电容与接地平面相连），其余各点均采用单点接地。

　　单点接地与多点接地的分界常以流通信号波长λ的0.05倍为界，凡单点接地线长度达到0.05λ以上时，就应当用多点接地。

　　（5）信号接地线的处理

　　信号接地是在指定的两个点（其中有一个被称为“地”的参考点）间建立导电通路，以便实现电路与机壳，或电路与指定接地板之间的连接。最关键的是要强调连接良好，建立低阻抗的通路，这对射频电流在接地回路中的流动特别重要。

1.2设备的接大地

　　（1）设备的接大地

　　实用中，除认真考虑设备内部的信号接地外，通常还要将设备的信号地、机壳与大地连在一起，并以大地作为设备的接地参考点。设备接大地的目的有三个：

　　①设备的安全接地，保证了对设备的操作人员实现安全保护。

　　②泄放机箱上所积聚的电荷，避免因电荷积聚使机箱电位升高，造成电路工作的不稳定。

　　③避免设备在外界电磁环境的作用下使设备对大地的电位发生变化，造成设备工作的不稳定。

　　由此可见，设备接大地除了对人员安全、设备安全的考虑外，也是抑制干扰发生的重要手段。实用中，如能将接地与屏蔽、滤波等技术配合使用，将会对提高设备的电磁兼容性起到事半功倍的作用。

　　（2）接大地的方法与接地电阻

　　接大地有效性的重要指标是接地电阻。接地电阻除与接地电极的制作方式有关外，也和大地自身的性质有关。

　　人们习惯把地下金属管道作为接地电极，由于它与大地有较大的接触面积，可取得较小的接地电阻。但做法不规范，流入管道的故障电流和杂散电流容易对管道检修人员造成伤害。此外，任何非金属的管道构件都能使接地的有效性受到破坏。

　　正确的接大地方法是用直径1cm～2cm的铜棒（长2m～4m）打入地下，深度在2m以上。一根铜棒的接地电阻在25Ω左右，这对一些小功率电气设备已足够用。若要更小的接地电阻，可增加铜棒附近地域的盐份和水份，必要时还可将几根铜棒互连成网。在权衡设备投资及防雷、防电源故障和防电磁脉冲的要求后，接地电阻以10Ω为设计目标是合理的。

2屏蔽

　　屏蔽能有效抑制通过空间传播的电磁干扰。采用屏蔽的目的有两个：一是限制设备内部的辐射电磁能越出某一区域；二是防止外部的辐射电磁能进入某一区域。

　　按屏蔽所起的作用分，有电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种。

2.1电场屏蔽

　　设备中电位不同物体间（包括导线间）的相互感应可看成是分布电容间的电压分配（参见图1.1）。图1.1中，干扰源A与受感应物B之间的电压关系为UB=　　为减弱A对B的感应，可采用的方法有：

　　（1）增大A、B间距离，以便减小分布电容C1。

　　（2）尽可能让B贴近接地板，以增大B对地的电容C2。

　　（3）在A、B间插入金属屏蔽板（参见图1.2）。

　　屏蔽板的作用是：

　　①屏蔽板的存在，增大了A、B之间的距离，结果使A、B间的分布电容C1′减小。

　　②当屏蔽板靠近被保护的B时，使B的对地电容C4增大。而C4的作用与地位与C2是相同的。

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北京隆方信息咨询有限公司李正子

　　在图1.2中，对屏蔽板的厚度无特殊要求，但要求其为良导体，强度要足够，且接地要良好。

2.2磁场屏蔽

　　磁场屏蔽通常是指对直流或低频磁场的屏蔽，其效果比起对电场和电磁场的屏蔽要差得多。

　　磁场屏蔽的主要机理是利用屏蔽体的高导磁率、低磁阻特性对磁通所起的磁分路作用，使屏蔽体内部的磁场大大削弱（图1.3）。

　　磁场屏蔽的设计要点是：

　　（1）选用高导磁率的材料，以减少屏蔽体的磁阻。

　　（2）增加屏蔽体的壁厚，同样还是减少屏蔽体的磁阻。

　　（3）被屏蔽物要放在屏蔽体中心位置，尽可能不让磁通经过被屏蔽物，避免降低屏蔽效果。

　　（4）注意屏蔽体的结构，凡缝隙、通风孔等应顺着磁场方向分布，尽可能不阻断磁通的通过。

　　（5）对强磁场可采用双层屏蔽体结构。当要屏蔽外部强磁场时，要求外层屏蔽体选用不易磁饱和的材料，如硅钢等；内层则用容易达到饱和的高导磁材料，如坡莫合金等。反之，屏蔽体的材料使用次序也颠倒过来。两层屏蔽体在安装时要注意彼此间的磁路绝缘。如屏蔽体无接地要求，可用绝缘材料作支撑。如要求接地，可用非铁磁材料的金属作支撑。从屏蔽体可兼有电、磁屏蔽功能出发，通常是要接地的。

2.3电磁场屏蔽

　　电磁场屏蔽的目的是要阻止电磁场在空间传播。

　　与电场和磁场屏蔽的机理不同，电磁场屏蔽的机理是：

　　（1）屏蔽体金属表面对电磁波的反射作用（就这一点来说，对屏蔽体的厚度无要求）。

　　（2）未被完全反射的电磁波在进入屏蔽体内部时，继续向前传播的过程中会被屏蔽体金属所吸收。

　　（3）当部分未被吸收掉的电磁波透过金属到达屏蔽体另一表层时，在金属与空气交界面上会再次形成反射，重返屏蔽体内部，结果在屏蔽体内部形成多次反射和吸收现象（当然最终还会有少量电磁波透过屏蔽体而进入被保护空间）。

　　因此，电磁屏蔽是基于金属材料对电磁波的反射和吸收两个作用来完成的。

3滤波

　　由于滤波的本身具有双向作用（既可抑制从设备电源线引出的传导骚扰，又可降低从电网引入的传导干扰），因此，滤波部分的内容放在提高产品抗扰度方法中一起讨论。