電磁兼容的概念及設計方法

摘要：電和磁是互相關聯的。每一臺電子設備都不可避免電磁兼容問題。因此，為了使電子設備可靠運行，必須研究電磁兼容技術。以實例說明了電磁兼容的思路和設計方法。通過對電磁干擾源的明確認識，對電磁干擾引入路徑的清楚了解，針對電磁干擾敏感的接收電路進行重點保護。

關鍵詞：電磁兼容；電磁干擾；設計

Concepts and Design Methods of Electromagnetic Compatibility?

YAN Xiu-sheng, NING Tian-fu, GUO Xiang-yu, GUO Yun-zhi?

Abstract:Electricity and magnetism is interrelated. Each and every electric equipment don′ t avoid the problem on electromagnetic compatibility.Therefore,in order that the electric equipment can operate well,it is necessary to research the technology of electromagnetic compatibility.The thinking and design method of electromagnetic compatibility are explained by examples.To understand the source of EMI and the propagative way of EMI clearly the key protection of sensitive receiving circuit for EMI can be carried out.

Keywords:Electromagnetic compatibility; Electromagnetic interference; Design 　

1? 引言

??? 1822年安培提出了一切磁現象的根源是電流的假說。1831年法拉第發現變化的磁場在導線中產生感應電動勢的規律。1864年麥克斯韋全面論述了電和磁的相互作用，提出了位移電流的理論，總結出麥克斯韋方程，預言電磁波的存在，麥克斯韋的電磁場理論是研究電磁兼容的理論基礎。1881年英國科學家希維賽德發表了“論干擾”的文章，標志著電磁兼容性研究的開端。

??? 1888年德國科學家赫茲首創了天線，第一次把電磁波輻射到自由空間，同時又成功地接收到電磁波。從此開始了電磁兼容性的實驗研究。

??? 1889年英國郵電部門研究了通信中的干擾問題，使電磁兼容性研究開始走向工程化。1944年德國電氣工程師協會制訂了世界上第一個電磁兼容性規范VDE0878，1945年美國頒布了第一個電磁兼容性軍用規范JAN－I－225。

??? 我國從1983年開始也陸續頒布了一系列有關電磁兼容性規范。

??? 雖然電磁干擾問題由來已久，但電磁兼容這個新興的綜合性學科卻是近代形成的。主要研究和應用的內容包括：電磁兼容性標準和規范；分析和預測；設計；實驗測量；開發屏蔽材料；培訓教育和管理等。

2? 電磁兼容的重要性

2.1? 為了電子設備工作的可靠性

??? 電磁兼容性是指電子設備在電磁環境中正常工作的能力。電磁干擾是對電子設備工作性能有害的電磁變化現象。電磁干擾不僅影響電子設備的正常工作，甚至造成電子設備中的某些元器件損害。因此，對電子設備的電磁兼容技術要給予充分的重視。既要注意電子設備不受周圍電磁干擾而能正常工作，又要注意電子設備本身不對周圍其它設備產生電磁干擾，影響其它設備正常運行。

2.2? 為了電子設備的國際接軌

??? 近來，電磁兼容性已由事后處理發展到預先分析、預測和設計。電磁兼容已成為現代工程設計中的重要組成部分。電磁兼容性達標認證已由一個國家范圍向全球地區發展，使電磁兼容性與安全性、環境適應性處于同等重要地位。

??? 例如，歐共體將產品的電磁兼容性要求納入技術法規，強制執行89/336/EEC指令，規定從1996年1月1日起電氣和電子產品必須符合電磁兼容性要求，并加貼CE標志后才能在市場銷售。

??? 為了與國際接軌，我國外經部和國家出入境檢驗局于1999年1月起對個人計算機、顯示器、打印機、開關電源、電視機和音響設備實施電磁兼容性強制檢測。國家技術監督局規定從2002年10月起陸續對聲音和電視廣播設備、信息技術設備、家用電器、電動工具、電源、照明電器、電點火驅動裝置、金融結算電子設備、安防電子產品和低壓電器實施電磁兼容性強制性認證。

2.3? 為了人身和某些特殊材料的安全

??? 電磁波通過與電爆裝置的控制電路感應耦合，形成的干擾電流可能引起電爆裝置的爆炸。因此GJB786中規定，電引爆器導線上的電磁干擾感應電流和電壓必須小于最大不發火電流和電壓的15％。另外，各種燃油在強電磁場的作用下（直接照射、電火花、靜電放電）有發生燃燒和爆炸的危險；電磁能量通過對人體組織的物理化學作用會產生有害的生理效應。因此，為了人身和某些特殊材料的安全，GJB786中還規定，電子設備的電磁輻射量連續波的平均功率密度不允許超4mW/cm2，脈沖波的平均功率密度不允許超過2mW/cm2。

2.4? 為了當今和未來戰爭的需要

??? 核爆炸時產生的電磁脈沖，以光速向外輻射傳播，其電場強度可達105V/m，磁場強度可達260A/m，脈沖寬度為20ns量級，電磁脈沖峰值處頻率為105Hz。這種電磁脈沖作用于電子設備時，輕者造成電子設備性能惡化，重者造成電路元器件損壞。

??? 特別是在當今和未來戰爭中，已經應用的電磁脈沖彈和正在研制的高功率微波武器都具有類似核爆炸時產生的電磁脈沖輻射，將對電子設備構成致命威脅。而電磁兼容可以為對抗這種威脅提供基本技術指導。

3? 電磁兼容的設計思路

??? 為了提高電子設備的電磁兼容能力，必須從開始設計時就給予電磁兼容性以足夠的重視。電磁兼容的設計思路可以從電磁兼容的三要素，即電磁干擾源、電磁干擾可能傳播的路徑及易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件入手。也就是

??? 1）首先，要充分分析電子設備可能存在的電磁干擾源及其性質，盡量消除或降低電磁干擾源的參數。

??? 2）其次，要充分了解電磁干擾可能傳播的路徑，盡量切斷其路徑，或降低與電磁干擾耦合的能力。

??? 3）最后，要充分認識易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件，盡量杜絕其接收電磁干擾的可能性。

??? 據此，在設計時應采取相應對策，消除或部分消除可能出現的電磁干擾，以減輕調試工作的壓力。在調試中，針對具體出現的電磁干擾，以及接收電磁干擾的電路和元器件的表現進行分析，以確定電磁干擾源所在及電磁干擾可能傳播的路徑，再采取相應的解決辦法。

4? 電磁兼容的具體實例

4.1? 對電磁干擾源要有明確的認識

??? 例如，某探測設備在探測元件無輸入信號時，其放大器輸出端的干擾信號峰峰值為50.8mV，遠遠超過該探測設備輸出端最小探測信號電壓峰峰值4.0mV的要求，致使整個設備無法正常工作。

??? 該臺探測設備的驅動電源采用直流斬波式方波交流電源，驅動螺線管電磁鐵往復運動，由上可見，驅動電源的負載為感性的電磁線圈。對感性的電磁線圈采用直流斬波式方波交流電源供電，在斬波時將產生嚴重的電磁干擾。因為感性的電磁線圈中的電流變化必然產生感應電動勢，電流變化越快，產生的感應電動勢越大。這種感應電動勢將會通過某種路徑傳導耦合到放大器的輸出級，而成為嚴重的電磁干擾。

??? 該臺探測設備的驅動電源采用線性純正弦波電源時，在探測元件無輸入信號時，在放大器輸出端最大探測信號電壓峰峰值僅為4.4mV。而具有隨機性質的噪聲電壓，其峰峰值最大為3.0mV。說明原來的干擾信號已被極大地消除，

??? 從該項工作中，使我們體會到電磁干擾的嚴重性，對電磁干擾的認識僅停留在一般的水平上、泛泛地、全面地采取各種抗干擾措施也不一定見效，必須抓住主要矛盾。

??? 再舉一例，某電子設備，當打開電源開關時，其測量顯示呈紊亂狀態。究其原因，正是在電源開關時刻，電路由一種穩態轉換到另一種穩態的過渡過程中，所出現的過電壓、過電流所致。為此，采用一定容量和電壓的氧化鋅壓敏電阻并聯在電源上，便收到了較好的效果。這也說明對電磁干擾源有明確認識時，才能有的放矢地采取抗干擾措施，效果明顯。

4.2? 對電磁干擾可能的傳播路徑要有清楚了解

??? 在核聚變科學研究中，將巨大的微波能耦合到等離子體中去，以提高核聚變物理參數。為此，需要高能大功率發射系統。其主電源脈沖電壓達20kV，最大脈沖寬度30ms，最高脈沖功率2400kW。該電源通過電感儲能，直流開斷，脈沖整形等一系列環節，由微機控制來實現。

??? 調試過程中，當電壓達數kV時，系統便無法正常運行。輕則控制程序出錯，重則程序全部被沖掉，更嚴重時微機芯片被燒損。由于對電磁干擾認識膚淺，盲目地采取各種措施，如重新布線，改善接地，增加電磁屏蔽和隔離等等，忙了幾個月均不能根本解決問題，挫折迫使我們冷靜了下來。在進行了科學分析后，認定必須要對幅度高達數kV，前后沿很陡的這一電磁干擾源有清楚了解，并對其可能傳播的路徑采取加強隔離措施。在對光電隔離器采用雙重設計后，微機能穩定、可靠地工作了。

??? 再舉一例，在激光電源低功率調試中發現應交替導通的兩個逆變開關IGBT的觸發信號存在重迭現象，即有互相干擾。如果不消除這種干擾，可能發生主電路直通故障。基于以前積累的對電磁干擾可能的傳播路徑要有明確認識的工作經驗，我們從逆變開關IGBT的觸發端倒推，一級一級地檢測觸發信號，直到產生觸發信號的TL494集成電路的兩個輸出端，發現這兩個輸出端的引線距離很近，且平行布線很遠。通過分析表明，這種情況容易產生電容性耦合干擾，干擾的強弱與工作頻率及兩條引線之間的分布電容量有關。當我們將其中一條引線切斷，用一條拉開很遠距離的臨時導線代用后，兩個逆變開關IGBT的觸發信號不再發生重迭現象了。

??? 從該項工作中，使我們體會到對電磁干擾可能傳播的路徑有明確的認識，才能順利地排除電磁干擾。否則將無從下手解決存在的電磁干擾問題。

4.3? 對易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件要進行重點保護

??? 還是上述的第一個例子中，某探測設備在探測元件無輸入信號時放大器輸出端的干擾信號遠遠超過最小探測信號電壓值，致使整個設備無法正常工作。

??? 經過認真分析和實際測試，除了對電磁干擾源缺乏明確的認識和電磁干擾可能傳播的路徑缺乏清楚了解外，對易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件也缺乏重點保護。為此對易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件——傳感器輸入電路和前級放大電路主要采取兩項電磁兼容性措施：

??? 1）信號接地信號接地的主要目的是為了抑制電磁干擾，應當特別注意低電平電路、信號檢測電路、傳感器輸入電路和前級放大電路的接地。

??? 該探測設備的傳感器輸入電路、前級放大電路和末級放大電路的接地應該只設一個接地點，因為多個接地點會引入共地阻抗的干擾。而這個接地點的位置應當選擇在保證地線中的電流流向為從小信號電路流向大信號電路，從而避免大信號電路的地線電流對小信號電路產生干擾。

??? 2）屏蔽加強該探測設備的傳感器輸入電路和前級放大電路電磁屏蔽，并注意屏蔽的完整性和良好的接地措施。

??? 電磁屏蔽設計時，一般采用電導率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地。它是利用屏蔽體在高頻磁場的作用下產生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場的干擾，又因屏蔽體接地而實現電場屏蔽。屏蔽體的厚度不必過大，應以趨膚深度和結構強度為主要考慮因素。另外要注意屏蔽的完整性，如果屏蔽體不完整，將導致電磁場泄漏。

5? 電磁兼容的設計方法

5.1? 對電磁干擾源的設計方法

??? 電磁干擾源的種類相當繁多，比如，自然的電磁干擾源包括：地球表面的最大磁場強度為52A/m、平均電場強度為130V/m，雷電的大氣干擾，靜電的電暈放電和宇宙噪聲等等。人為的電磁干擾源包括：含有整流子的直流電機換向時產生的電弧和電流變化、電器開關動作時產生的電弧和電流變化，非線性元器件工作時產生的諧波，高頻振蕩器和無線電發送設備的電磁輻射，汽車點火系統，醫療用的超聲波發生器，生活用的微波爐以及電磁脈沖等等。可以說電磁干擾源無處不在，下面僅討論與我們相關的主要電磁干擾源。

5.1.1? 供電電源

??? 供電電源，常由于負載的通斷過渡過程、半導體元器件的非線性，脈沖設備及雷電的耦合等因素，而成為電磁干擾源。

??? 供電電源電磁兼容的設計方法為

??? 1）采用交流電源濾波器

??? 由于交流電源濾波器是低通濾波器，不妨礙工頻電能的通過，而對高頻電磁干擾呈高阻態，有較強的抑制能力。使用交流電源濾波器時，應根據其兩端阻抗和要求的插入衰減系數選擇濾波器的型式。要注意其承受電壓和導通電流的能力，屏蔽與機殼要電氣接觸良好，地線要盡量短、截面足夠大，進出線要遠離，而且濾波器應盡量靠近供電電源。

??? 2）交流電源變壓器加靜電屏蔽

??? 由于電源變壓器初、次級間存在分布電容，進入電源變壓器初級的高頻干擾能通過分布電容耦合到電源變壓器的次級。在電源變壓器初、次級間增加靜電屏蔽后，該屏蔽與繞組間形成新的分布電容。將屏蔽接地，可以將高頻干擾通過這一新的分布電容引入地，從而起到抗電磁干擾的作用。靜電屏蔽應選擇導電性好的材料，且首尾端不可閉合，以免造成短路。

??? 3）脈沖電壓的吸收

??? 對脈沖電壓的電磁干擾可以采用壓敏電阻、固體放電管或瞬態電壓抑制二極管來吸收。當脈沖電壓吸收器件承受一個高能量的瞬態過電壓脈沖時，其工作阻抗能立即降到很低，允許通過很大的電流，吸收很大的功率，從而將電壓箝制在允許的水平內。

??? 壓敏電阻或固體放電管可應用于直流或交流電路。單向瞬態電壓抑制二極管應用于直流電路，而雙向瞬態電壓抑制二極管應用于交流電路。使用脈沖電壓的吸收器件時，應選擇其額定電壓略高于設備的最大工作電壓，以保證無脈沖電壓時，吸收器件的功耗最少；當有脈沖電壓時，其箝位的電壓應低于設備的最高絕緣電壓，以保證設備的安全；其通流能力應大于脈沖電壓所產生的電流。

??? 4）直流電源的電磁兼容措施

??? ——整流電路的高頻濾波即在整流管上并聯小電容（0.01μF）進一步濾掉從變壓器進入的高頻干擾。

??? ——直流退耦即在直流電源和地之間并聯2個電容，大電容（10～100μF）濾掉低頻干擾，小電容（0.01～0.22μF）濾掉高頻干擾。

??? 5）電源的其它電磁兼容措施

??? ——控制電路和功率電路采用分相供電或采用不同的電源供電；

??? ——采用UPS（不間斷電源）供電；

??? ——采用電源電壓監視集成電路。

5.1.2? 暫態過程

??? 暫態過程是由于電路機械觸點的分合，負載的通斷和電路的快速切換等導致電路電壓或電流發生快速變化，而成為電磁干擾源。

??? 暫態過程的電磁兼容設計方法為

??? 1）電路機械觸點的熄火花電路

??? 電路機械觸點的熄火花電路由電阻（R）和電容（C）串聯組成。其原理是用電容轉換觸點分斷時負載電感（L）上的能量，從而避免在觸點上產生過電壓和電弧造成的電磁干擾，最終由電阻吸收這部分能量。

??? 電路參數計算如下：

??? R>2（L/C）1/2??? （Ω）??? （1）

??? C1=4L/R2????????? （μF）?? （2）

??? C2=（Im/300）2L? （μF）?? （3）

式中：R為電阻（Ω）；

????? L為負載電感（μH）；

????? Im為負載電感中的最大電流（A）；

????? C取C1、C2中大者。

??? 2）電感負載的續流電路和吸收電路

??? 直流電路電感負載的續流電路是用二極管反并聯在電感負載上。當切斷電感負載時，其上的電流經二極管續流，不會產生過電壓而危及電路上的其它器件。

??? 參數選擇如下：

??? IF>2IN???? (4)

??? VRRM>2VN?? (5)

式中：IF為二極管正向平均電流；

????? VRRM為二極管反向重復峰值電壓；

????? IN為電感負載的額定電流；

????? VN為電感負載的額定電壓。

??? 如果用壓敏電阻代替二極管，其效果會更好。因為壓敏電阻吸收能量更快，從而減小了動作響應時間。另外，壓敏電阻還可應用在交流電路電感負載的場合。應用壓敏電阻時應當注意以下幾點：

??? ——壓敏電阻的標稱電壓；

??? ——壓敏電阻的壓比；

??? ——壓敏電阻的吸收能量能力；

??? ——壓敏電阻的前沿響應時間；

??? ——壓敏電阻應當盡量緊靠電感使用。

??? 3）電容負載的限流電路

??? 電容負載的限流電路由電阻（R）和開關并聯組成。其原理是用電阻限制電容負載開始投入時的短路電流，從而避免短路電流造成的電磁干擾。經過時間（t）將開關閉合，切除限流電阻。

??? 參數選擇如下：

??? R>2VN/IN???? （6）

??? t>3RC?????? （7）

式中：IN為負載的額定電流；

????? VN為電源的額定電壓；

????? C為負載的電容。

??? 4）電路快速切換的電磁兼容措施

??? 電路快速切換（包括晶閘管換流、直流斬波、二極管關斷時的電荷存儲效應等）將導致電壓或電流的快速變化，而成為電磁干擾源。

??? 對此可采用如下電磁兼容措施

??? ——串聯緩沖電感，以降低電流變化率；

??? ——并聯緩沖電容，以降低電壓變化率；

??? ——用電感電容諧振電路代替直流斬波，以降低電流變化率或電壓變化率。

5.1.3? 電磁輻射

??? 電磁輻射包括電子設備內部和外部兩種電磁輻射源。其實任一電流的周圍都存在磁場，而變化的磁場會產生變化的電場，這種電磁場就是電磁干擾源。

??? 電子設備中主要的電磁輻射源是大電流、高電壓的強功率電路和器件，電壓或電流快速變化的電路和器件以及高頻電路和器件。

??? 對電磁輻射的電磁兼容設計是，采用電磁屏蔽的方法，即用屏蔽材料將電磁輻射源封閉起來，使其外部電磁場強低于允許值。

??? 電磁屏蔽的技術原理主要有兩種：

??? 一是反射，由于空氣和金屬屏蔽的電磁阻抗不同，使入射電磁電波產生反射作用。磁場中的反射損耗R(dB)，對磁場源而言

??? R=20log10{[0.012(μr/fσr)1/2/D]＋5.364D(fσr/μr)1/2＋0.354}? （8）

式中：μr為相對磁導率；

?????????? σr為相對電導率；

???? f為電磁波頻率（Hz）；

???? D為輻射源到屏蔽體的距離（m）。

對電場源而言

????? R=322＋10log10(σr/μrf3D2)? （9）

??? 二是吸收，進入金屬屏蔽內的電磁波在金屬屏蔽內傳播時，由于衰減而產生吸收作用。吸收損耗A(dB)為

??????? A=0.131d(μrfσr)1/2??? （10）

式中：d為屏蔽材料厚度（mm）。

??? 1）磁場屏蔽一般采用磁導率高的材料作屏蔽體，它給低頻磁通提供一個閉合回路，并使其限制在屏蔽體內。屏蔽體的磁導率越高，厚度越大，磁阻越小，磁場屏蔽的效果越好。當然屏蔽的設計要與設備的重量相協調。在雜散耦合可能引起有害作用的電路中，應選用帶有屏蔽的電感器和繼電器，并將屏蔽有效地接地。

??? 2）電場屏蔽一般采用電導率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地，使電力線在此終止，因而電場不會泄漏到屏蔽體外部。電場屏蔽以反射為主，因此屏蔽體的厚度不必過大，而以結構強度為主要考慮因素。

??? 3）電磁場屏蔽一般采用電導率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地。它是利用屏蔽體在高頻磁場的作用下產生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場的干擾，又因屏蔽體接地而實現電場屏蔽。屏蔽體的厚度不必過大，而以趨膚深度和結構強度為主要考慮因素。

??? 應當特別注意電磁屏蔽的完整性，特別是電磁場屏蔽，因為它是利用屏蔽體在高頻磁場的作用下產生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場干擾的。如果屏蔽體不完整，則渦流的效果降低，導致電磁場泄漏，屏蔽的效果將大打折扣。

5.1.4? 雷電

??? 雷電是帶電云對地或帶電云之間的放電現象。帶電云對地放電為直接雷擊，而非直接雷擊時設備所受到的干擾為感應雷擊。由于雷電具有非常大的能量和非常短的持續時間，因此雷電是非常強的干擾源。

??? 雷電的電磁兼容的設計方法是

??? 1）對直接雷擊采用的設計方法采用接閃器、避雷引線和避雷接地組成的避雷系統。將直接雷擊的能量引入大地，以保護電子設備。

??? 2）對感應雷擊采用的設計方法采用氣體避雷管、壓敏電阻、電壓瞬變吸收二極管或固體放電管。利用其非線性特性，對感應雷擊的高電壓尖峰削波和能量吸收，以保護電子設備。

5.1.5? 靜電

??? 當不同介質的材料相互摩擦時，會發生電荷轉移而產生靜電。當然靜電也可能以其它的方式產生，比如受到其它帶電體的感應。靜電場強的高低取決于材料所攜帶的電荷量多少和對地電容的大小。當這種材料對電子設備的場強超過絕緣介質的擊穿強度時，會發生電暈放電或火花放電，形成靜電干擾，可能導致電子設備損壞。

??? 防靜電的電磁兼容的設計方法是

??? ——防止靜電的產生，例如阻止靜電荷的積累、泄放積累的靜電荷，采用防靜電地板和靜電消除器等等。

??? ——采用靜電屏蔽和接地措施，將靜電產生的電荷引走。

??? ——采用耐靜電電壓值高的器件。

??? ——采用靜電保護措施，例如增加串聯電阻以降低靜電放電電流，增加并聯元件以把靜電放電電流引走，對靜電作用下易損器件的操作防護和軟件的靜電防護等等。

5.1.6? 無線電發射源

??? 無線電發射機的頻率范圍為103～1012Hz。

??? 無線電發射機的有效輻射功率（ERP）很高。例如，軍用雷達10GW，氣象雷達1GW，船用雷達100MW，電視廣播50MW，商用電臺300kW，廣播電臺100kW，業余通訊1kW，車用通訊100W。

??? 因此，無線電發射源對電子設備是一很強的干擾源。

??? 對無線電發射源的電磁兼容的設計方法是

??? ——嚴格控制無線電發射的方位角度，以減少無線電發射源干擾的空間范圍。

??? ——采用完整的電磁屏蔽和可靠的接地措施，以減少無線電發射源的泄漏干擾。

5.2? 對電磁干擾可能傳播的路徑的設計方法

5.2.1? 電路性耦合

??? 當兩個電路存在公共阻抗時，一個電路的電參數通過公共阻抗對另一個電路的電參數產生了影響。而這種影響造成誤動作時，即為通過電路性耦合的路徑產生的電磁干擾。公共阻抗主要有共回路導線、共地阻抗和共電源內阻。

??? 電路性耦合的電磁兼容設計方法是

??? 1）對共電源內阻產生的電磁干擾，可以用不同的電源分別供電的方法，以去除共電源內阻產生的電路性耦合。

??? 2）對共回路導線產生的電磁干擾，可以用對導線阻抗加以限制或去耦的方法，以減低共回路導線產生的電路性耦合。共回路導線的阻抗包括電阻和電感。

??? ——限制電阻的方法增大共回路導線的截面、減小共回路導線的長度和降低接觸電阻；

??? ——限制電感的方法減小共回路導線的長度和來回線的距離；

??? ——電路去耦的方法去掉共回路導線，而將不同的回路僅在一點連接。

??? 3）對共地阻抗產生的電磁干擾，可以用降低共地阻抗的方法，以去除共地阻抗產生的電路性耦合。

??? ——接地的種類和作用

??? 電子設備一般有兩種接地。一種是安全接地，即將機殼接地，當機殼帶電時，電源的保護動作，切斷電源，以保護工作人員的安全；另一種是工作接地，給電路系統提供一個基準電位，同時也可將高頻干擾引走。但是，不正確的工作接地反而會增加干擾，比如共地線干擾，地環路干擾等等。

??? 工作接地按工作頻率采用不同的接地方式。工作頻率低的（小于1MHz）采用單點接地式，即把整個電路系統中的一個結構點看作接地參考點，所有對地連接都接到這一點上，并設置一個安全接地螺栓；工作頻率高的（大于30MHz）采用多點接地式，即在該電路系統里，用一塊接地平板代替電路中每部分各自的地回路。其主要原因是接地引線的感抗與頻率和長度成正比，工作頻率高時將增加共地阻抗，從而將增大共地阻抗產生的電磁干擾。工作頻率在上述兩者之間的可采用混合接地式。

??? 此外，還有一種浮地式，即該電路的地與大地無導體連接。其優點是該電路不受大地電性能的影響。其缺點是該電路易受寄生電容的影響，而使該電路的地電位變動和增加了對模擬電路的感應干擾。

??? ——對接地電阻的要求

??? 接地電阻越小越好。因為當有電流流過接地電阻時，其上產生的電壓，將產生共地阻抗的電磁干擾。另外，該電壓不僅使設備受到反擊過電壓的影響，而且使操作人員受到電擊傷害的威脅。因此，一般要求接地電阻小于4Ω。

??? 接地電阻由接地線電阻、接觸電阻和地電阻組成。為此降低接地電阻的方法有以下三種：

??? 一是降低接地線電阻，為此要用總截面大和長度小的多股細導線。

??? 二是降低接觸電阻，為此要將接地線與接地螺栓和接地極作緊密又牢靠地連接，并要增加接地極和土壤之間的面積與接觸的緊密度。

??? 三是降低地電阻，為此要增加接地極的表面積和增加土壤的電導率（如在土壤中注入鹽水）。

??? ——低頻電路地

??? 工作頻率低于1MHz的一個電路采用單點接地式，以防兩點接地產生共地阻抗的電路性耦合。多個電路的單點接地式又分為串聯和并聯兩種，由于串聯接地產生共地阻抗的電路性耦合，所以低頻電路最好采用并聯的單點接地式。

??? 為防止工頻和其它雜散電流在信號地線上產生干擾，信號地線應與功率地線和機殼地線相絕緣。且只在功率地、機殼地和接往大地的接地線的安全接地螺栓上相連（浮地式除外）。

??? 地線的長度（L/m）與截面積（S/mm2）的關系為

?????? S>0.83L??? （11）

??? ——高頻電路地

??? 工作頻率高于30MHz的電路采用多點接地式。因為接地引線感抗與頻率和長度成正比，所以地線的長度要盡量短。多點接地時，盡量找最接近的低阻值接地面接地。

??? ——混合接地式

??? 工作頻率介于1～30MHz的電路采用混合接地式。當接地線的長度小于工作信號波長的1/20時，采用單點接地式，否則采用多點接地式。

??? ——屏蔽地

??? 電路的屏蔽體，即用屏蔽材料將電磁輻射源屏蔽起來，并將屏蔽體接地，以降低電磁輻射的干擾。屏蔽體內的電路地線只能一點接屏蔽體，而不得利用屏蔽體作返回導體。

??? ——電纜的屏蔽層

??? 對于多層屏蔽電纜，每個屏蔽層應在一點接地，各屏蔽層應相互絕緣。

??? 當電纜長度大于工作信號波長的0.15倍時，采用間隔工作信號波長的0.15倍的多點接地式。如果不能實現，則至少應將屏蔽層兩端接地。

??? 4）電位隔離

??? 電位隔離分為機械、電磁、光電和浮地幾種隔離方式，其實質是人為地造成電的隔離，以阻止電路性耦合產生的電磁干擾。

??? ——機械隔離采用繼電器來實現其線圈接收信號，機械觸點發送信號。機械觸點分斷時，由于阻抗很大、電容很小，從而阻止了電路性耦合產生的電磁干擾。缺點是線圈工作頻率低，不適合于工作頻率較高的場合使用。而且存在觸點通斷時的彈跳和干擾以及接觸電阻等。

??? ——電磁隔離采用變壓器來實現通過變壓器傳遞電信號，阻止了電路性耦合產生的電磁干擾。對于交流的場合使用較為方便，由于變壓器繞組間分布電容較大，所以使用時應當與屏蔽和接地相配合。

??? ——光電隔離采用光電耦合器來實現通過半導體發光二極管（LED）的光發射和光敏半導體（光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等）的光接收，來實現信號的傳遞。光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器輸入端的干擾電壓較小，而且一般干擾源的內阻較大，它所能提供的電流并不大，因此不能使發光二極管發光。光電耦合器的外殼是密封的，它不受外部光的影響。光電耦合器的隔離電阻很大（約1012Ω），隔離電容很小（約數pF）能阻止電路性耦合產生的電磁干擾。只是光電耦合器的隔離阻抗隨著頻率的提高而降低，抗干擾效果也將降低。

??? ——浮地浮地可使功率地（強電地）和信號地（弱電地）之間的隔離電阻很大，所以能阻止共地阻抗電路性耦合產生的電磁干擾。

5.2.2? 電容性耦合

??? 任何兩個導體之間都存在著電容。電容值與介質的介電常數ε和兩個導體的有效面積成正比、與兩個導體之間的距離D成反比。當兩個平行圓導體直徑為d時，其電容C為

??? C=πε/ln(D/d)??? （12）

??? 當一個導體對地具有電位U1，阻抗Z1，另一個導體對地具有阻抗Z2，兩個導體具有相同地電位，通過兩個導體之間的電容，在另一個導體上將產生干擾電壓U2為

??? U2=U1Z2/（Z1＋Z2＋1/jωC）???? （13）

??? 當阻抗Z1和阻抗Z2中含有電感分量時，產生的干擾電壓U2有可能大于導體1對地的電位U1。

??? 電容性耦合的等值電路圖見圖1。

圖 1? 電 容 性 耦 合 的 等 值 電 路 圖

??? 在上述分析中，兩導線間的有效耦合長度應遠小于信號波長（一般為1/10）時，才允許使用集中參數的等效電路來分析線間耦合，否則必須應用電磁場理論的傳輸方程來分析線間耦合。

??? 電容性耦合的電磁兼容設計方法是

??? 1）盡可能減小干擾源U1的幅值和干擾源的變化速度ω。

??? 2）Z1和Z2設計得盡可能大，且Z1遠大于Z2。

??? 3）耦合電容設計得盡可能小

??? ——盡量加大兩個導體間的距離；

??? ——盡量縮短兩個導體的長度；

??? ——盡量避免兩個導體平行走線。

??? 4）屏蔽

??? 屏蔽的目的切斷干擾源和被干擾對象之間的電力線，以免除電容性耦合的電磁干擾。

??? 屏蔽的方法采用與干擾源基準電位相連的屏蔽；采用與被干擾對象基準電位相連的屏蔽；或者上述兩者都用，其效果更好。

??? 屏蔽的注意事項

??? ——要有完整的屏蔽，否則屏蔽的效果降低；

??? ——要用導電性能好的材料作屏蔽，否則屏蔽的效果降低；

??? ——要有良好的屏蔽接地，否則屏蔽的效果降低。當導線的長度小于工作信號波長的1/20時，采用單點接地式，否則采用多點接地式。接地線的長度要盡量短。

??? 5）平衡

??? 平衡的目的當干擾源和被干擾對象的基準電位是互相獨立時，可以采用平衡的方法，即使干擾源和被干擾對象的耦合電容平衡，以免除電容性耦合的電磁干擾。

??? 平衡的方法

??? ——干擾源和被干擾對象均采用絞合導線；

??? ——采用四芯導線，使干擾源和被干擾對象的導線交叉對稱。

5.2.3? 電感性耦合

??? 任何兩個回路之間都存在著互感。互感值與介質的磁導率μ成正比，并與兩個回路的幾何尺寸有關。兩個回路的布局如圖2所示。

圖2? 兩 個 回 路 的 布 局 圖

??? 圖中1～1為第一個回路，2～2為第二個回路，a、b、c、d為回路的間距。另外設l為回路的長度。

兩個回路的互感M為

??????? M=μlln（ac/bd）/2π???? （14）

??? 當第一個回路具有電流i1，通過兩個回路之間的互感M，在第二個回路上產生的干擾電壓u2為

?????? u2=Mdi1/dt????? （15）

??? 電感性耦合的電磁兼容設計方法是

??? 1）盡可能減小干擾源電流i1的變化速度。

??? 2）盡可能設計得使兩個回路的互感M小，為此

??? ——盡量加大兩個回路間的距離；

??? ——盡量縮短兩個回路的長度；

??? ——盡量避免兩個回路平行走線；

??? ——盡量縮小兩個回路的面積，并減低重合度。

??? 3）屏蔽

??? 屏蔽的目的切斷干擾源和被干擾對象之間的磁力線，以免除電感性耦合的電磁干擾。

??? 屏蔽的方法采用鐵磁性導體的靜態磁屏蔽，采用良導體感應渦流的動態磁屏蔽。

??? 屏蔽的注意事項

??? ——鐵磁性導體的靜態磁屏蔽適用于低頻磁場。屏蔽的效果與屏蔽材料的相對磁導率μr、厚度d、幾何形狀以及磁場方向有關。例如橫向磁場中的圓球的屏蔽系數as為

????? as=20lg（1＋μrd/2r）????? （16）

式中：r為圓球的內徑

??? ——良導體感應渦流的動態磁屏蔽適用于高頻磁場。屏蔽的效果與屏蔽材料的性質，幾何形狀，屏蔽的密閉程度以及磁場的頻率有關。屏蔽系數ad可用式（17）進行近似計算

???????? ad=20lg（μof/2Zk）???????? （17）

式中：μo為真空導磁率；

???? f為磁場的頻率；

???? Zk為耦合阻抗。

??? ——網孔狀的屏蔽系數與孔的面積占總面積的比例有關。

??? 4）平衡

??? 平衡的目的采用平衡的方法，可以減小或免除電感性耦合的電磁干擾。

??? 平衡的方法

??? ——磁場去耦即使被干擾回路耦合的干擾源磁場最少。例如安排兩個回路垂直放置，可達到磁場去耦的目的。

??? ——磁場抵消因為干擾磁場引起的感應電流在相鄰絞線回路的同一根導線上方向相反，相互抵銷。為對磁場干擾取得較好的抑制效果，屏蔽雙絞線的節距不可太大，即單位長度絞合數越多，磁場抵消效果越好。

5.2.4? 幅射性耦合

??? 幅射性耦合是電磁場通過空間耦合到被干擾對象的。如被干擾對象是兩根導線，它就是接收電場的天線。天線的等值電路圖見圖3。

圖 3? 天 線 的 等 值 電 路 圖

??? 等值電壓源U（即接收的干擾電壓）為

??????? U=Eh?????? (18)

式中：E為電場強度；

????? h為天線有效高度。

??? 內阻R為

???? R=1580（h/λ）2???? (19)

式中：λ為電磁場波長。

??? 如被干擾對象是一環線，通過環線面積S的磁場將產生干擾電壓U為

??????? U=BdS/dt???? （20）

式中：B為磁感應強度。

??? 幅射性耦合的電磁兼容設計方法是

??? 1）采用空間分離的方法即把相互容易干擾的設備和導線盡量安排得遠一些，并調整電磁場矢量方向，使接收設備耦合的干擾電磁場最低。

??? 2）采用時間分離的方法即使產生輻射的設備和易接收輻射的設備在不同的時間工作。

??? 3）采用頻率分離的方法即使產生輻射的設備和易接收輻射的設備的工作頻率不同。

??? 4）采用屏蔽的措施即用屏蔽材料將被干擾對象封閉起來，使其內部電磁場強低于允許值的一種措施。屏蔽的效果用屏蔽系數來衡量。

??? 5）減小天線有效高度。

??? 6）減少環線面積。

5.3? 對易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件的設計方法

??? 通常用敏感度來描述敏感設備對電磁干擾響應的程度。敏感度越高，表示對干擾作用響應的可能性越大，即抗電磁干擾的能力越差。因此，一般認為電子設備的敏感度主要取決于它的靈敏度和頻帶寬度。電子設備主要由模擬電路和數字電路組成。

5.3.1? 模擬電路

??? 模擬電路的電磁兼容設計方法是

??? 1）優選電路

??? 例如，設計低噪聲電路，減少帶寬，抑制干擾傳輸；平衡輸入，抑制干擾；選用高質量電源等。

??? 2）采用如下幾種信號濾波器

??? ——低通濾波器

??? 當干擾信號的頻帶高于有用信號的頻帶比較遠時，可采用低通濾波器來濾除干擾信號。

??? RC低通濾波器的信噪比σL為

???????? σL={1＋[SRL/(R＋RL)]2}1/2??????? (21)

式中：S=2πfRC；

????? f為信號的頻率（Hz）；

????? R為濾波器的電阻（Ω）；

????? RL為負載的電阻（Ω）；

???? C為濾波器的電容（F）。

??? ——高通濾波器

??? 當干擾信號的頻帶低于有用信號的頻帶比較遠時，可采用高通濾波器來濾除干擾信號。

??? RC高通濾波器的信噪比σG為

???????? σG=[S2/(1＋S2)]1/2???? （22）

式中：S=2πfRC；

????? f為信號的頻率（Hz）；

????? R為濾波器的電阻（Ω）；

????? C為濾波器的電容（F）。

??? ——LC濾波器

??? 當干擾信號的頻帶雖高于、但接近于有用信號的頻帶時，可采用LC濾波器來濾除干擾信號。

??? LC濾波器的信噪比σY為（當L=CRL2時）

???? σY=[（1－ω2LC）2＋(ωL/RL)2]1/2????? （22）

式中：ω=2πf；

???? f為信號的頻率（Hz）；

????? RL為負載的電阻（Ω）；

????? C為濾波器的電容（F）；

????? L為濾波器的電感(H)。

??? ——選通濾波器

??? 當干擾信號的頻帶為不連續時，可采用選通濾波器來濾除干擾信號。

??? 針對不同干擾信號的頻帶和負載，可以應用LC選通濾波器或RC選通濾波器。其中LC選通濾波器分并聯諧振式和串聯諧振式兩種型式。

5.3.2? 數字電路

??? 數字電路的電磁兼容設計方法是

??? 1）在工作指標許可的條件下，采用直流噪聲容限高的數字電路。例如，CMOS數字電路的直流噪聲容限遠高于TTL數字電路的直流噪聲容限。

??? 2）在工作指標許可的條件下，采用開關速度低的數字電路。因為開關速度越高，由它引起的電壓或電流的變化越快，就越容易產生電路間的耦合干擾。

??? 3）提高門檻電壓，可以利用在電路前設置分壓器或穩壓管的方法來提高門檻電壓。

??? 4）懸空長線具有天線效應，易于接收電磁波而產生干擾，為此可用RC網絡加以吸收，或作不懸空處理。

??? 5）采用負載阻抗匹配的措施，即使負載阻抗等于信號線的波阻抗，這樣一來將會消除數字信號在傳輸過程中，由于折射和反射的作用而產生的畸變。比如，在測量一個方波時，如果阻抗不匹配，示波器顯示的將不是一個方波，而是一種多次振蕩的波形，其原因除了波形失真外，還由于方波信號的多次折射和反射。

6? 結語

??? 為了使電子設備可靠地運行，必須深入研究電磁兼容技術。本文用具體實例說明了電磁兼容的重要性和一些設計方法。特別注重要對電磁干擾源有明確認識，對電磁干擾引入路徑有清楚了解，對電磁干擾敏感的接收電路進行重點保護。

參考資料

[1]? （美）B·E·凱瑟.電磁兼容原理[M].北京:電子工業出版社,1985.

[2]? （德）D·斯托爾.工業抗干擾的理論與實踐[M].北京:國防工業出版社,1985.

[3]? 蔡仁鋼.電磁兼容原理、設計和預測技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,1997.