電磁干擾及其抑制方法的研究

1、論文-電磁干擾及其抑制方法的研究 洲壩通信公司 方宏坤弱電工程中電磁干擾及其抑制方法的研究（葛洲壩通信工程有限公司 方宏坤 151120）【摘 要】 在弱電工程應(yīng)用領(lǐng)域，強(qiáng)電與弱電交叉耦合，電磁干擾（EMI）錯(cuò)綜復(fù)雜， 嚴(yán)重影響弱電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。本文詳細(xì)介紹了 EMI 產(chǎn)生的原因、分析EMI/RFI的特性，及其傳輸途徑和危害， 利用電磁理論和工程實(shí)踐，分析并提出了一些在弱電工程領(lǐng)域行之有效的 EMI 抑制方法。 【關(guān)鍵詞】 弱電 電磁干擾（EMI） 射頻干擾（RFI） 干擾抑制 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，IT技術(shù)在弱電工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，IT設(shè)備日益精密、復(fù)雜，使得電子

2、干擾問題日趨嚴(yán)峻。它可使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性降低，功能失效，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)完癱瘓和設(shè)備損壞。特別是 EMIRFI（電磁干擾射頻干擾）問題，已成為近幾年弱電工程領(lǐng)域的焦點(diǎn)。 1、電磁干擾分類和特性生活中電磁干擾無處不在，其干好錯(cuò)綜復(fù)雜。通常我們把電磁干擾主要劃分為電磁干擾（EMI）、射頻干擾（RFI）和電磁脈沖（EMP） 三種，根據(jù)其來源可分為外界和內(nèi)部兩種，嚴(yán)格的說所有電子運(yùn)行的元件均可看作干擾源。本文中所提EMI是對周圍電磁環(huán)境有較強(qiáng)影響的干擾；RFI則從屬于EMI；EMP 是一種瞬態(tài)現(xiàn)象，它可由系統(tǒng)內(nèi)部原因（電壓沖擊、電源中斷、電感負(fù)載轉(zhuǎn)換等）或外部原因（閃電等）引起，能耦合到任何導(dǎo)線上，如

3、電源線和通信電纜等，而與這些導(dǎo)線相連的電子系統(tǒng)可能受到瞬時(shí)嚴(yán)重干擾或使系統(tǒng)內(nèi)的電子電路永久性損壞。圖 1 給出了常見 EMIRFI 的干擾源及其頻率范圍。 1MHz10MHz100MHz1GHz10GHzTV（VHF）FMTV（UHF）微波爐汽車點(diǎn)火噪音VHF通信靜 電 放 電計(jì)算機(jī)航 空 雷 達(dá)圖1 常見干擾源及頻率范圍1.1 EMI特性分析 在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)從三個(gè)方面來考慮電磁干擾問題：首先是電子系統(tǒng)產(chǎn)生和發(fā)射干擾的程度；其次是電子系統(tǒng)在強(qiáng)度為 110 V/m、距離為 3 米的電磁場中的抗擾特性；第三是電子系統(tǒng)內(nèi)部的干擾問題。利用干擾三要素分析與EMI相關(guān)的問題需要把握EMI的五個(gè)關(guān)鍵

4、因素，這五個(gè)關(guān)鍵因素是頻率、幅度、時(shí)間、阻抗和距離。在EMI分析中的另一個(gè)重要參數(shù)是電纜的尺寸、導(dǎo)線及護(hù)套，這是因?yàn)?，?dāng)EMI成為關(guān)鍵因素時(shí)，電纜相當(dāng)于天線或干擾的傳輸器，必須考慮其物理長度與屏蔽問題。 1.2 RFI特性分析 無線電發(fā)射源無處不在，如無線電臺、移動通信、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、電錘等等。所有這些電子活動都會影響電子系統(tǒng)的性能。無論RFI的強(qiáng)度和位置如何，電子系統(tǒng)對RFI必須有一個(gè)最低的抗擾度。在通信、無線電工程中，抗擾度定義為設(shè)備承受每單位RFI功率強(qiáng)度的敏感度。從“干擾源耦合途徑接收器”的觀點(diǎn)出發(fā)，電場強(qiáng)度E是發(fā)射功率、天線增益和距離的函數(shù)，即 E=5.5· P·

5、;G d式中P為發(fā)送功率（mWcm2）， G為天線增益，d為電路或系統(tǒng)距干擾源的距離（m）。 由于模擬電路一般在高增益下運(yùn)行，對RF場比數(shù)字電路更為敏感，因此，必須解決V級和mV級信號的問題；對于數(shù)字電路，由于它具有較大的信號擺動和噪聲容限，所以對RF場的抑制力更強(qiáng)。1.3 干擾途徑 任何干擾問題可分解為干擾源、干擾接收器和干擾的耦合途徑三個(gè)方面，即 所謂的干擾三要素。如表 2 所示。 表2干擾源耦合途徑干擾類型接收器共地阻抗傳導(dǎo)干擾輻射場到互連電纜（共模）輻射干擾微控制器輻射場到互連電纜（差模）輻射干擾有源器件電纜間串?dāng)_（電容效應(yīng)）感應(yīng)干擾微控制器靜電放電電纜間串?dāng)_（電感效應(yīng)）感應(yīng)干擾通信接

6、收器通信發(fā)射機(jī)電纜間串?dāng)_（漏電導(dǎo)）傳導(dǎo)干擾有源器件電源電纜間串?dāng)_（場耦合）輻射干擾其他電子系統(tǒng)擾動電源線到機(jī)箱傳導(dǎo)干擾雷電輻射場到機(jī)箱輻射干擾設(shè)備到設(shè)備輻射輻射干擾設(shè)備間的傳導(dǎo)傳導(dǎo)干擾干擾信號是通過傳導(dǎo)、輻射和感應(yīng)（電容效應(yīng)與電感效應(yīng)，干擾源和接收器相距小于數(shù)個(gè)波長）到達(dá)接收器。如果干擾信號的頻率小于30 MHz，主要通過內(nèi)部連接耦合；如果大于30MHz，其耦合途徑是電纜輻射和連接器泄漏；如果大于300MHz，其耦合途徑是輻射。許多情況下，干擾信號是一寬帶信號，其耦合方式包括上述所有情形。2、無源元件在EMIRFI環(huán)境中的特性 無源元件的合理使用可減小EMIRFI對電路或系統(tǒng)的影響，對于弱電工

7、程師，應(yīng)對抗干擾的主要工具無源元件有足夠的了解，特別是它們的非理想作用。圖 2 給出了無源器件在電路中的非理想特性。 圖2 無源器件在電路中的非理想特性元 件 低 頻 高 頻 響 應(yīng)導(dǎo) 線電 容電 感電阻 線從圖2可以看出，在很高頻率時(shí)，導(dǎo)線變成了反射線，電容變成了電感，電感變成 了電容，電阻變成了共振電路。在低頻時(shí)，導(dǎo)線具有很低的電阻（00656/m），但它的寄生電感約為0.079 nHm；當(dāng)頻率達(dá)到幾MHz以上時(shí)，就變成了電感，由于電感的不可控性，最終使其變成一根發(fā)射線。根據(jù)天線理論可知，無端接的傳輸線將變成一個(gè)具有增益的天線。3、低通濾波器在抑制 EMIRFI 中的應(yīng)用 低通濾波器對共模

8、和差模噪聲有較強(qiáng)的抑制作用。干擾的耦合途徑有信號輸入、信號輸出和電源供應(yīng)三個(gè)點(diǎn)，所以采用 01F 的高頻陶瓷電容對所有的電源供應(yīng)端進(jìn)行退耦；采用截止頻率高于信號帶寬 10100 倍的低通濾波器對所有的信號線進(jìn)行濾波。 對于低通濾波器，必須保證在預(yù)期的最高頻率段也是有效的，因?yàn)?，?shí)際的低通濾波器在高頻時(shí)會出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，如圖 4 所示。這是由于寄生電容引起電感效率的損失，寄生電感引起電容損失所造成的。對于低通濾波器（電感、電容組成），當(dāng)輸入信號頻率比濾波器截止頻率高 1001000 倍時(shí)，就發(fā)生泄漏現(xiàn)象。為此，一般不采用一級低通濾波器，而是分為低頻帶、中頻帶和高頻帶且每個(gè)頻帶單獨(dú)設(shè)置濾波器。 dB

9、f圖4 低頻濾波器在100-1kfdB時(shí)的效率100-1000fdB低頻帶寬為 10 kHz1 MHz；中頻帶寬為 1 MHz100 MHz；高頻帶 寬為 100 MHz1GHz。在低通濾波器中，如果存在任何對地阻抗，該阻抗便成為高頻噪聲的旁路路徑，因此，濾波器的地應(yīng)是寬頻帶且連接到低阻抗點(diǎn)或地線層上，以優(yōu)化濾波性能。另外，高頻電容的引腳應(yīng)盡可能短，最好采用低電感表面貼片式瓷片電容。 4、電源中 EMI 的抑制措施 實(shí)際弱電工程中，開關(guān)電源工作時(shí)振蕩頻率高達(dá)數(shù)百千HZ，其二次，三次及多次諧波更是高達(dá)數(shù)MHz。這些電磁波一方面以無線電波的形式向周圍空間發(fā)散，另一方面會通過市電供電電路向外傳波，從

10、而干擾電子設(shè)備的正常工作。（1）開關(guān)電源的抗干擾抑制對于開關(guān)電路來說，合理的設(shè)計(jì)布局和接地可以對電路中產(chǎn)生的輻射噪聲進(jìn)行有效抑制。A、合理電路布局可起到抗干擾效果在電路設(shè)計(jì)中：將散熱元器件如功率開關(guān)器件、穩(wěn)壓器、變壓器等安裝在印制板的上方，以利于散熱；熱敏元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離散熱元件。在高頻電路中，盡可能縮短高頻元器件之間的連線，減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾；盡量減小由高頻脈沖電流所包圍的面積。輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。  B、合理的接地可起到抗干擾的效果在電路設(shè)計(jì)中：盡量減小接地回路中的公共電阻，且應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”原則。交流電源地與直流電源地分開。通常采用“浮地技術(shù)”將交流電源

11、地與直流電源地分開，這樣可以隔離來自交流電源地線的干擾。功率地與弱電地分開。由于負(fù)載電路或功率驅(qū)動電路的電流較強(qiáng)、電壓較高，所以功率地線上的干擾較大。因此功率地必須與其他弱電地分別設(shè)置，以保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。（2）在電源的整流和穩(wěn)壓輸出端除加有大電容低頻濾波外，應(yīng)并接低容量無感高頻濾波電容器進(jìn)行高低頻濾波。（3）盡量使電源線和地線平行走線，使電源線對地呈低阻抗以減小電源噪聲干擾，必要時(shí)最好使用雙絞線饋電。5、屏蔽技術(shù)在線路工程中的應(yīng)用電磁波是電磁能量傳播的主要方式，一方面，電子設(shè)備工作時(shí)，會向外輻射電磁波，對鄰近的其它設(shè)備產(chǎn)生干擾。另一方面，空間的各種電磁波也會感應(yīng)到電路中，對電路造成

12、干擾。電磁屏蔽的作用是切斷電磁波的傳播途徑，從而消除干擾。5.1 屏蔽電纜屏蔽的原理E圖5 屏蔽電纜的原理圖屏蔽網(wǎng)接地電纜橫截面屏蔽網(wǎng)橫截面EE電纜信號線截面 正電荷負(fù)電荷ABC圖5展示了屏蔽電纜屏蔽網(wǎng)的工作原理。圖5 A圖展示屏蔽網(wǎng)受到外部EMI干擾時(shí)，干擾場E在屏蔽網(wǎng)表面形成了電勢差UA，根據(jù)場強(qiáng)公式E=U/d，它在屏蔽網(wǎng)內(nèi)部產(chǎn)生了反方向的E場，其大小E等于干擾場E，故而E+E=0，即屏蔽網(wǎng)內(nèi)電場為零，外部EMI被屏蔽網(wǎng)完全屏蔽。圖5 B圖屏蔽網(wǎng)不接地時(shí)，雖然外部干擾可以被屏蔽，但內(nèi)部干擾和漏磁輻射仍存在。當(dāng)B圖中1號線傳輸信號時(shí)，1號線與電纜屏蔽網(wǎng)形成了電容效應(yīng)，在屏蔽網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生電場dE1

13、 ，直接對2號線進(jìn)行干擾。同理，2號線產(chǎn)生的電場dE2 又直接干擾1號線。同時(shí)，1、2號線還向屏蔽網(wǎng)外輻射，形成信號泄漏和新的外部干擾。圖5 C圖屏蔽網(wǎng)接地時(shí)，屏蔽網(wǎng)表面電勢為零，所以對內(nèi)它是1、2號線的地線，對外不會產(chǎn)生電磁泄漏和干擾。因此在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)的通信線路中，需要屏蔽電纜的，電纜屏蔽網(wǎng)必須進(jìn)行良好的接地處理，否則會大大減低屏蔽效果。5.2 屏蔽層的接地的方式屏蔽接地通常采用兩種方式來處理：屏蔽層單端接地和屏蔽層雙端接地。  單端接地是在屏蔽電纜的一端將金屬屏蔽層直接接地。在屏蔽層單端接地情況下，非接地端的金屬屏蔽層對地之間有感應(yīng)電壓存在，感應(yīng)電壓

14、與電纜的長度成正比，但屏蔽層無電勢環(huán)流通過。單端接地就是利用抑制電勢電位差達(dá)到消除電磁干擾的目的。這種接地方式適合長度較短的線路，電纜長度所對應(yīng)的感應(yīng)電壓不能超過安全電壓。雙端接地是在屏蔽電纜的兩端將金屬屏蔽層直接接地。在屏蔽層雙端接地情況下，金屬屏蔽層不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，但金屬屏蔽層受干擾磁通影響將產(chǎn)生屏蔽環(huán)流通過，如果地點(diǎn)A和地點(diǎn)B的電勢不相等，將形成很大的電勢環(huán)流，環(huán)流會對信號產(chǎn)生抵消衰減效果。一般而言模擬信號主張單端接地，以避免雙端接地時(shí)，地電勢不同引發(fā)的地電流影響信號；數(shù)字信號或差分信號主張雙端接地。當(dāng)電磁感應(yīng)的干擾較大時(shí)，宜采用兩點(diǎn)接地；靜電感應(yīng)的干擾較大時(shí)，可采用一點(diǎn)接地。 雙重屏

15、蔽或復(fù)合式總屏蔽時(shí)，宜對內(nèi)、外屏蔽分別采用一點(diǎn)、兩點(diǎn)接地。5.3 屏蔽的效果通常弱電線路工程中多采用封閉金屬屏蔽層對電路進(jìn)行屏蔽。封閉屏蔽層對電路屏蔽效果主要取決于材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性。材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性越好，屏蔽效能越高，但實(shí)際的金屬材料不可能兼顧這兩個(gè)方面，例如銅的導(dǎo)電性很好，但是導(dǎo)磁性很差;鐵的導(dǎo)磁性很好，但是導(dǎo)電性較差。應(yīng)該使用什么材料，根據(jù)具體屏蔽主要依賴反射損耗、還是吸收損耗來決定是側(cè)重導(dǎo)電性還是導(dǎo)磁性。弱電工程應(yīng)用中屏蔽的效果可根據(jù)以下公式計(jì)算：dB=20·log10(E0E1)公式中：E0是屏蔽前的干擾場強(qiáng)，E1是屏蔽后屏蔽保護(hù)下的場強(qiáng)。弱電工程應(yīng)用中，增加屏蔽保護(hù)

16、后的線路，其干擾會減少到無屏蔽狀態(tài)下的百分之一,甚至萬分之一；也就是說，采用屏蔽保護(hù)的線路抗干擾能力提高了100至10000倍。6、電子設(shè)備工作靜電形成的原因、危害與抑制電子設(shè)備工作時(shí)會向周圍幅射大量的高頻電磁波，如果周圍存在金屬物體時(shí)，這些攜帶能量的電磁波就會被金屬物體如機(jī)箱吸收，其中的一部分能夠會轉(zhuǎn)化為熱量，一部分會轉(zhuǎn)化為電荷在金屬表面積累起來。如果金屬物體沒有接地或接地不良時(shí)，這部分電荷會隨著時(shí)間的積累而增加，這就是電子設(shè)備工作靜電形成的主要原因。靜電的基本物理特性為：吸引或排斥，與大地有電位差，會產(chǎn)生放電電流。這三種特性能對電子元件產(chǎn)生三種不利影響：1靜電吸附灰塵，降低元件絕緣電阻（縮

17、短壽命）。2靜電放電破壞，使元件受損不能工作(完全破壞)。3形成靜電電勢，靜電電勢范圍很大，一般在幾十伏至上萬伏間。當(dāng)靜電電勢達(dá)到2000伏以上時(shí)，人體接觸就回有電感，而擊穿敏感元器件通常只需要幾百伏至幾千伏，故而對電子設(shè)備的安全構(gòu)成了巨大威脅。目前靜電放電引起的元件擊穿損害是電子工業(yè)最普遍、最嚴(yán)重的靜電危害,它分硬擊穿和軟擊穿。硬擊穿是一次性造成元器件介質(zhì)擊穿或永久性失效；軟擊穿則是造成器件的性能劣化或參數(shù)指標(biāo)下降。靜電抑制的主要措施有：靜電的泄漏和耗散、靜電中和、靜電屏蔽與接地、增濕等。在弱電工程實(shí)踐中采用最多的辦法就是設(shè)備靜電屏蔽與接地。如通信機(jī)房設(shè)備、機(jī)柜接地處理等。據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，未采取靜電防護(hù)處理與采取防護(hù)的電子設(shè)備相比，平均壽命要降低20%，故障率增加20%。7、總結(jié) 今天弱電智能技術(shù)飛速發(fā)展，電磁環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，如何防范弱電系統(tǒng)的電磁干擾，降低EMI對工程中電源、線路及設(shè)備的影響，切實(shí)提高電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全，是弱電工程領(lǐng)域一大難題。在實(shí)際工程應(yīng)用中，采用哪種EMI抑制方法，應(yīng)根據(jù)實(shí)際環(huán)境綜合分析