淺談大學(xué)生電子設(shè)計賽中電磁兼容設(shè)計問題

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(tǒng)及子系統(tǒng)在共同的環(huán)境中能執(zhí)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(shè)備、子系統(tǒng)能正常工作又不互相干擾，達(dá)到“兼容”狀態(tài)。

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

要使系統(tǒng)中各子系統(tǒng)能兼容工作，首先必須了解本系統(tǒng)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(yīng)對系統(tǒng)工作的影響，以達(dá)到各子系統(tǒng)“兼容”狀態(tài)。

這里主要討論電子設(shè)計中各子系統(tǒng)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  直流電動機(jī)產(chǎn)生的騷擾

在直流電動機(jī)中含有換向器和電刷，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，電動機(jī)的換向器與電刷就會不斷地接觸與斷開。當(dāng)電刷與相鄰的換向器短接時，在與換向器相連接的電樞繞組中有電流流過，緊接著電刷與換向器很快轉(zhuǎn)入斷開狀態(tài)，在此瞬間將產(chǎn)生火花放電騷擾。這個過程是一個重復(fù)轉(zhuǎn)換過程，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小）。通常，在電動機(jī)的接線端上，傳導(dǎo)騷擾電壓可達(dá)幾十毫伏至幾百毫伏。對非金屬殼體的電動機(jī)在1M的距離引起感應(yīng)電壓可達(dá)3000~5000uV。電子設(shè)計賽中，學(xué)生一般使用小功率的直流電動機(jī)，其外殼是金屬外殼，有一定的屏蔽作用，為加強(qiáng)對騷擾輻射的屏蔽，應(yīng)將電動機(jī)外殼接地。

1.2  電源、振蕩器、時鐘電路所形成的騷擾源

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

續(xù)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(dǎo)耦合方式，另一種是輻射耦合方式。

傳導(dǎo)耦合是騷擾源與敏感電路之間的主要耦合途徑之一。傳導(dǎo)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(dǎo)耦合的連接電路包括互連導(dǎo)線、電源線、信號線、接地導(dǎo)體、設(shè)備的導(dǎo)電構(gòu)件、公共阻抗、電路元件等。

輻射耦合是電磁騷擾通過其周圍的媒介以電磁波的形式向外傳播，騷擾電磁能量按電磁場的規(guī)律向周圍空間發(fā)射。輻射耦合的途徑主要有天線、電纜（導(dǎo)線）、機(jī)殼的發(fā)射對組合。通常將輻射耦合劃分為三種：①天線與天線之間的耦合，指的是天線A發(fā)射的電磁波被另一天線B無意接收，從而導(dǎo)致天線A對天線B產(chǎn)生功能性電磁干擾；②場與線的耦合，指的是空間電磁場對存在于其中的導(dǎo)線實(shí)施感應(yīng)耦合，從而在導(dǎo)線上形成分布電磁騷擾源；③線與線的感應(yīng)耦合，指的是導(dǎo)線之間以及某些部件之間的高頻感應(yīng)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(dǎo)耦合、輻射耦合、感應(yīng)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(yīng)從以上三個方面入手，以獲得良好的電磁兼容性。

3.1   從電源著手減小電源對系統(tǒng)的干擾以及電源內(nèi)阻形成的傳導(dǎo)騷擾耦合

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

（2）改善電源的濾波和穩(wěn)壓措施，以減小電源內(nèi)阻及紋波電壓。

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

動機(jī)），為了消除其通過公共阻抗對系統(tǒng)形成干擾，可采用獨(dú)立電源對其供電。

3.2  改善地線系統(tǒng)

理想的地線是一個零阻抗，零電位的物理實(shí)體，它不僅是信號的參考點(diǎn)，而且電流流過時不會產(chǎn)生電壓降。在具體的電氣、電子系統(tǒng)中，這種理想地線是不存在的，當(dāng)電流流過地線時，必然會產(chǎn)生電壓降，從而形成騷擾。據(jù)此可根據(jù)地線中干擾形成機(jī)理可歸結(jié)為以下兩點(diǎn)，第一，減小地線阻抗和電源饋線阻抗。第二，正確選擇接地方式和阻隔地環(huán)路。按接地方式來分有懸浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、混合接地。

如果敏感線路的干擾主要來自外部空間或系統(tǒng)外殼，此時可采用懸浮地的方式加以解決，但是懸浮地設(shè)備容易產(chǎn)生靜電積累，當(dāng)電荷達(dá)到一定程度后，會產(chǎn)生靜電放電，所以懸浮地不宜用于一般的電子系統(tǒng)。

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上各點(diǎn)之間產(chǎn)生電位差，信號地線應(yīng)與電源及安全地線隔離，在電源線接地處單點(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(dǎo)體長度不應(yīng)超過最高頻率的1/10波長。

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路中，一般來說，當(dāng)信號頻率在1~10MHz之間時，比適合采用混合接地方式。

3.3  屏蔽

屏蔽是提高電子系統(tǒng)和電子設(shè)備電磁兼容性能的重要措施之一，它能有效的抑制通過空間傳播的各種電磁干擾。屏蔽按機(jī)理可分為磁場屏蔽與電場屏蔽及電磁屏蔽。電場屏蔽應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①選擇高導(dǎo)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。磁場屏蔽通常只是指對直流或甚低頻磁場的屏蔽，其屏蔽效能遠(yuǎn)不如電場屏蔽和電磁屏蔽，磁屏蔽應(yīng)注意：①要選用鐵磁性材料作屏蔽體。②磁屏蔽體要遠(yuǎn)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屏蔽體上的開孔要注意開孔的方向，盡可能使縫隙的長邊平行于磁通流向。一般來說，磁屏蔽不需要接地，但為防止電場感應(yīng)，還是接地為好。電磁場在通過金屬或?qū)﹄姶艌鲇兴p作用的阻擋體時，會受到一定程度的衰減，即產(chǎn)生對電磁場的屏蔽作用，所于，高導(dǎo)電性能的材料可作為高頻電磁場的屏蔽體。

3.4  濾波

實(shí)踐表明，即使一個經(jīng)過很好設(shè)計且具有正確的屏蔽和接地措施的電子系統(tǒng)，也仍然會有傳導(dǎo)騷擾發(fā)射或傳導(dǎo)騷擾進(jìn)入系統(tǒng)。濾波是壓縮信號回路騷擾頻譜的一種方法，當(dāng)騷擾頻譜成分不同于有用型號的頻帶時，可以用濾波器將無用的騷擾濾除。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(nèi)的騷擾的效果越好。

例如（2003年）第六屆全國大學(xué)生電子設(shè)計賽中的“液體點(diǎn)滴速度監(jiān)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(nèi)阻很大，所于應(yīng)選擇高輸入電阻的放大器將其放大，但這時，直流電動機(jī)的騷擾很容易通過傳導(dǎo)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，而電動機(jī)騷擾頻譜在數(shù)百Hz以上。因而，我們很容易利用低通濾波器將電動機(jī)騷擾濾除或減弱。

3.5  改善印制板（PCB）布局、布線減弱騷擾源與敏感電路之間的耦合

為了減弱系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的相互干擾，在印制板設(shè)計、布局、布線時應(yīng)注意以下原則：

(1)在PCB設(shè)計中，如果電路系統(tǒng)同時存在數(shù)字電路、模擬電路以及大電流電路，則必須分開布局，使各系統(tǒng)之間耦合達(dá)到最小。

(2)熱敏元件要盡量遠(yuǎn)離大功率元件。

(3)在布局時IC去耦電容要盡量靠近IC芯片的電源和地線引腳，否則濾波效果會變差。在數(shù)字電路中，為保證數(shù)字電路系統(tǒng)可靠工作，在每一數(shù)字集成電路芯片（包括門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(shè)置了IC去耦電容。

(4)時鐘電路元件應(yīng)盡量靠近CPU時鐘引腳。數(shù)字電路，尤其是單片機(jī)控制系統(tǒng)中的時鐘電路，最容易產(chǎn)生電磁輻射，干擾系統(tǒng)中其他元器件。

(5)印制導(dǎo)線轉(zhuǎn)折點(diǎn)內(nèi)角不能小于90