标题电磁兼容设计

电磁兼容设计

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1、引言

电磁兼容设计也是电磁兼容标准规范和认证制度对产品的要求。电磁兼容性检测认证合格报告证书，是电子、电气产品进入市场必备的一份通行证。一权威机构的统计分析报告指出，未进行电磁兼容设计的电子、电气产品，其电磁兼容性能指标满足有关标准要求的可能性仅为25%左右。

电磁兼容设计的理论基础是电磁场理论、电路理论和信号分析等。应用中的电磁兼容设计包括接地技术、滤波和吸收技术、屏蔽和隔离技术以及结构设计等等。电磁兼容设计的基本方法有问题解决法、规范法和系统法。电磁兼容设计的内容包括电磁环境分析、频率选用、电磁兼容性指标和电磁兼容设计技术应用（本刊九八年三月号《电磁兼容概论》已做过简要介绍）。

1）抑制电磁骚扰源的设计要点

尽量去掉对设备（或系统）工作用处不大的潜在电磁骚扰源，减少骚扰源的个数；恰当选择元器件和线路的工作模式，尽量使设备工作在特性曲线的线性区域，以使谐波成份降低；对有用的电磁发射或信号输出也要进行功率限制和频带控制；合理选择电磁波发射天线的类型和高度，不盲目追求覆盖面积和信号强度；合理选择电磁脉冲形状，不盲目追求上升时间和幅度；控制产生电弧放电和电火花，宜选用工作电平低的或有触点保护的开关或继电器，宜选用加工精密的直流电机；应用良好的接地技术来抑制接地干扰、地环路干扰并抑制高频噪声。

2）抑制干扰耦合的设计要点

把携带电磁噪声的元件和导线与连接敏感元件（或电磁骚扰特性测量端口、界面）隔离；缩短干扰耦合路径的长度，宜使导线尽量短，必要时使用屏蔽线或加屏蔽套；注意布线和结构件的天线效应，对通过电场耦合的辐射，尽量减少电路的阻抗，而对通过磁场耦合的辐射，则尽量增加电路的阻抗；应用屏蔽等技术隔离或减少辐射途径的电磁骚扰；应用滤波器、脉冲吸收器、隔离变压器和光电耦合器等滤除或减少传导途径的电磁骚扰。

3）敏感设备的设计要点

对于骚扰源的各种电磁防护措施，一般也同样适用于敏感设备，可以采用滤波、脉冲吸收、内部屏蔽、隔离技术、内部去耦电路及线路和结构的合理布局等来抑制电磁干扰。此外，在设计中尽量少用低电平器件，不盲目选择高速器件，去掉那些不十分需要的敏感部件，适当控制输入灵敏度，等等。

1）接地的基本概念

电路中的“地”一般定义为电路或系统的零电位参考点。它不一定是实际的大地，它可以是设备的外壳或其它金属板、线。

“接地”一般是指电路或系统与“地”之间建立低阻抗通路，其中一点通常是系统的一个电气或电子元器（组）件，而另一点为“地”。

对接地平面的要求：接地平面应是零电位，它作为系统中各电路任何位置、所有信号的公共电位参考点；理想的接地平面是零电阻的实体，电流在接地平面流过时没有压降，现实中虽不存在零阻抗的接地平面，但应力求减少它的阻抗；良好的接地平面与布线间应有大的分布电容，而平面本身的引线电感将是很小，理论上它必须能吸收所有信号而使设备稳定地工作；良好的接地要求尽量减少多电路公共接地阻抗上所产生的骚扰电压，同时还要尽量避免形成不必要的地回路。

接地的基本目的有两个，一是为信号电压提供一个零电位参考点，称为信号接地，接地的另一个目的是为了安全，称为安全接地。安全接地就是把设备的外壳利用低阻导体连至大地（且一定是接到大地），以防止人员触及设备外壳时产生电击事故。电磁兼容技术的接地属于信号接地，它不一定利用导体接于大地。一般情况下，信号接地点与安全接地点不应为同一位置，否则信号端将会引入严重的干扰。

2）接地的基本方法

接地方法有三种基本形式：浮地、单点接地和多点接地，如图1所示。这些方法可以单独使用，也可在给定的设备及系统中组合使用（组合接地）。

图1 基本的接地方法

单点接地是指在一个线路中，只有一个物理点被定义为接地参考点，其它各个需要接地的点都直接接到这一点上。但需注意，若系统的工作频率较高，以致对应的工作波长λ=c/f缩小到可与系统的接地平面的尺寸或接地引线的长度比拟时，就不能再用单点接地的方式了。这是因为，当地线的长度接近于λ/4时，它更象一根终端短路的传输线，而不能起到“地”的作用。因此考察单点接地的效果时，必须分析存在于系统中的信号频谱成份和干扰频谱成分，其中特别要注意对脉冲频谱的分析。

接地引线的长度必须小于λ/4，这仅是考虑到“地”作用的起码要求，但实际究竟应小到多少还要看允许电流通过该接地引线所产生的电压降的大小。如果一个电路对此电压降很敏感，则接地引线的长度不大于0.05λ或更小；如果只是一般的敏感，则接地引线可长些，但一般不超过0.15λ。

接地引线的阻抗与它相对于接地平面的相对位置有关。为了减少接地阻抗，接地引线的端头应平行搭接在接地平面上。

3）信号接地方式及其比较

信号接地是指信号电路的地线或有信号电流流过的地线。信号地线的接地方式如图2所示。

图2 信号地线的接地方式

共用地线串联一点接地 通过对地线电阻的分析计算可以得出，从防止噪声和抑制干扰的角度出发，这种接地方式是最不适用的。但由于它的线路比较简单，用的场合仍然较多。当各电路的电平相差不大时可以使用，使用时注意要把相对电平较低的电路放在距接地点最近的地方。而若各电路的电平相差较大，则不能使用这种接地方式。因为高电平电路将会产生很大的地电流，形成大的电位差并骚扰到低电平电路中。

独立地线并联一点接地 这种接地方式的各电路的地电位只与本电路的地电流及地线阻抗有关，不受其它电路的影响，所以它最适用于低频电路。但由于这样做时地线根数多，使用麻烦，结构笨重，另外由于分别接地势必增加地线长度，从而增加了地阻抗，引入较大的接地干扰。这种接地方式可能还会造成各地线相互间的电感耦合，且随着频率增加，地线阻抗、地线间的电感及电容耦合都会增加，因此这种接地方式不适合于高频电路。当频率升高，特别是当地线长度是1/4波长的奇数倍时，地线阻抗变得很高，地线变成了天线，向外辐射骚扰信号。所以一般地线长度不应超过信号波长的1/20，以防止辐射发射，并降低地线阻抗。

独立地线并联多点接地 为了降低地线阻抗，在高频段都使用多点接地方式，即电路中所有的地线分别连至最近的低阻抗公共地（一般是机壳）。为了降低电路的地电位，每个电路的地线应尽可能缩短，以降低地线阻抗。在高频时，由于集肤效应，高频电流只流经机壳表面，即使加大机壳厚度也不能降低阻抗。为了在高频时降低地线阻抗，通常要将地线和公共地镀银。另外，在导体截面积相同的情况下，为了减少电阻，常用矩形截面导体做成地线带。

一般说来，频率在1MHz以下可采用一点接地方式；当频率高于10MHz应采用多点接地方式；而当频率在两者之间，如用一点接地，其地线长度不得超过波长的1/20，否则应用多点接地。

对接地系统的评价：一个好的接地系统，其上的两点之间的电位与线路中任何功能部分的电位相比较，都可以忽略不计。一个差的接地系统，可使寄生电压和电流耦合进电路、组件或设备，会使屏蔽的很好的单元降低屏蔽效果，使性能良好的滤波器不能发挥其优势，而且产生严重的电磁干扰问题。

电路系统的组合接地 电路系统在低频时多采用串并联一点接地的综合接法，即在符合噪声标准和简单易行的前提下统筹兼顾，分组接地。低电平电路经一组共同地线接地，高电平电路经另一组共同地线接地，甚至还有更多的分组地线接地。注意不要把功率相差很大、噪声电平相差很大的电路接入同一组地线。

4）接地点的选择

为了保证电路正常工作，同时又尽量减少接地干扰，必须恰当地选择接地点的个数及接地点的位置。

放大器与信号源间接地点的选择 宜单点接地，并选择放大器的共同参考点作为接地点，而将信号源与地隔离，这样做可以抑制噪声干扰。

多级电路接地点的选择 一般地说，电子设备中的低电平级电路是受干扰电路，因此接地点选择在低电平级电路的输入端。

高增益放大器屏蔽体接地点的选择 高增益放大器常以金属外壳作屏蔽，以防外来电场的干扰。屏蔽与接地须相互为用才能使干扰降至最低。为了这个目的及电路的稳定性，屏蔽体必须接于放大器的共同参考线上。

低频电缆屏蔽体接地点的选择 低频电路使用的电缆之外屏蔽导体也要单点接地。唯一可行的办法是将未接地屏蔽层直接接于放大器的共同参考点。

同轴电缆与屏蔽绞线接地点的选择 宜选择单端接地。若两端都接地，则因两端地电位不可能相同使干扰的抑制效果较差。若技术上要求两端都接地，则应使一部分的地回路电流经由低阻抗的屏蔽层，而不经由同轴电缆的中心导体或信号绞线。若要得到更好的抗干扰能力，则可使用隔离变压器、光电耦合装置等以达到要求。

5）地线环路干扰及其抑制

由于两接地点（多点接地时）间总不可避免地存在一定的阻抗，地电流在该公共阻抗上即产生地电压。地电压直接加到电路上成为骚扰电压。这种干扰称为地环路干扰。为了抑制地环路干扰，在设计中应尽量减小公共接地阻抗，恰当地选择接地点的位置，尽量减少地环路。此外还可以采取下列技术措施，以进一步抑制地环路干扰。

浮地 完全的浮地可以彻底消除接地干扰和地环路干扰，但这种方法在许多情况下难以真正实现。

差分平衡电路 由于差分平衡器件是按照加于电路两输入端的电压差值工作的。当噪声等量加于它的输入端口时，则其输出将不存在噪声。所以利用差分平衡器件有助于减小接地电路干扰的影响。但实际上，差分器件或相关的整个电路中总会存在某些不平衡。增加差分放大器的输入电阻和减少信号源内阻可以相对减小噪声输出。

隔离变压器 采用隔离变压器可以起到抑制地环路干扰的作用。但是由于变压器绕组之间存在分布电容，通过它仍可形成地环路。为提高隔离变压器的抗干扰能力，有效的办法是减小变压器绕组间的分布电容。如果在变压器绕组之间加电屏蔽可以有效地减小绕组间的分布电容。为防止地环路电压通过屏蔽层与绕组间的分布电容耦合加至负载造成干扰，电屏蔽层应接至负载的接地端。

纵向扼流圈 当传输的信号中有直流分量或有很低的频率分量时，就不能利用隔离变压器，此时可用纵向扼流圈。纵向扼流圈是由两个绕向相同、匝数相同的绕组（及磁芯）构成，一般常用双线并绕而成。信号电流在两个绕组流过时方向相反，产生的磁场互相抵消，呈现低阻抗。所以扼流圈对信号电流不起扼流作用，也不切断直流。地线中的骚扰电流（此处称为纵向电流）流经两个绕组时方向相同，产生的磁场同向相加。所以扼流圈对地环路骚扰电流呈现高阻抗，可以起到抑制地环路干扰的作用。扼流圈的电感量L应具有以下关系：L>>R_C/ω，式中ω为骚扰源的角频率，R_C为扼流圈的绕组及连接导线的电阻。

光电耦合器 光电耦合器由一发光二极管和一光电三极管封装在一起而成。光电耦合器的二极管引线作为前级电路的负载，其发光的强弱随前级电路输出信号电流的变化而变化。强弱变化的光使光电三极管的基极产生相应变化的电流，以作为后级电路的输入信号。光电耦合器完全切断了两个电路的地环路。这样，光电耦合器的前级和后级电路的地电位即使不同，也不会造成干扰。光电耦合器对数字电路特别适用。而由于电流与光强的线性关系较差，若用它传输模拟信号则会产生较大的非线性失真，故光电耦合器此时的使用受到限制。

6）搭接

搭接是将两个金属构件以低阻抗通路连接起来，如果其中一个金属构件是地平面，则这种搭接就是接地。良好的搭接是减少电磁干扰所必需的，因为良好的搭接可以减小设备电位差引起的干扰，同时使接地阻抗减小，这就减小了地电压形成的环路干扰。此外，良好的塔接能使屏蔽、滤波等抑制干扰的设计目的得以实现。

在直流的情况下，搭接的有效性体现于搭接的直流电阻。直流电阻常用来说明搭接的质量。一般规定其值为0.1mΩ以下，最大不得超过2.5mΩ。随着频率的提高，由于集肤效应使这一电阻或阻抗提高。因此，在射频频段，搭接处出现的自感以及搭接面之间的电容都会对搭接的有效性产生影响。为了减小搭接的阻抗，应尽量减小搭接条的长宽比，此比值一般不应超过5。

搭接有直接搭接、间接搭接（有中间导体）和永久结构（焊接、熔接、锻造、铆接等）。因为搭接片在高频时呈现很大的阻抗，所以间接搭接不用于高频。无论是直接搭接还是间接搭接，都要求首先对搭接面进行净化处理，有时还需要在其表面镀银或镀金来使搭接面覆盖良导电层。另外，有些情况下还要注意避免搭接可能出现的腐蚀现象及化学电池作用。