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，強電與弱電交叉耦合，電磁干擾（EMI）錯綜復(fù)雜， 嚴重影響弱電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。本文詳細介紹了 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 隨著計算機技術(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。 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，嚴格的說所有電子運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)可能受到瞬時嚴重干擾或使系統(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）微波爐汽車點火噪音VHF通信靜 電 放 電計算機航 空 雷 達圖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)計中，應(yīng)從三個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的五個關(guān)鍵

4、因素，這五個關(guān)鍵因素是頻率、幅度、時間、阻抗和距離。在EMI分析中的另一個重要參數(shù)是電纜的尺寸、導(dǎo)線及護套，這是因為，當EMI成為關(guān)鍵因素時，電纜相當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、電動機、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的強度和位置如何，電子系統(tǒng)對RFI必須有一個最低的抗擾度。在通信、無線電工程中，抗擾度定義為設(shè)備承受每單位RFI功率強度的敏感度。從“干擾源耦合途徑接收器”的觀點出發(fā)，電場強度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。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擾（電容效應(yīng)）感應(yīng)干擾微控制器靜電放電電纜間串擾（電感效應(yīng)）感應(yīng)干擾通信接

6、收器通信發(fā)射機電纜間串擾（漏電導(dǎo)）傳導(dǎo)干擾有源器件電源電纜間串擾（場耦合）輻射干擾其他電子系統(tǒng)擾動電源線到機箱傳導(dǎo)干擾雷電輻射場到機箱輻射干擾設(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)個波長）到達接收器。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，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，導(dǎo)線具有很低的電阻（00656/m），但它的寄生電感約為0.079 nHm；當頻率達到幾MHz以上時，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)三個點，所以采用 01F 的高頻陶瓷電容對所有的電源供應(yīng)端進行退耦；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，因為，實際的低通濾波器在高頻時會出現(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），當輸入信號頻率比濾波器截止頻率高 1001000 倍時，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頻帶單獨設(shè)置濾波器。 dB

9、f圖4 低頻濾波器在100-1kfdB時的效率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 實際弱電工程中，開關(guān)電源工作時振蕩頻率高達數(shù)百千HZ，其二次，三次及多次諧波更是高達數(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)計布局和接地可以對電路中產(chǎn)生的輻射噪聲進行有效抑制。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)盡量遠離。  B、合理的接地可起到抗干擾的效果在電路設(shè)計中：盡量減小接地回路中的公共電阻，且應(yīng)遵循“一點接地”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。由于負載電路或功率驅(qū)動電路的電流較強、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，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，干擾場E在屏蔽網(wǎng)表面形成了電勢差UA，根據(jù)場強公式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，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B圖中1號線傳輸信號時，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，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，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。因此在計算機網(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A和地點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，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。當電磁感應(yīng)的干擾較大時，宜采用兩點接地；靜電感應(yīng)的干擾較大時，可采用一點接地。 雙重屏

15、蔽或復(fù)合式總屏蔽時，宜對內(nèi)、外屏蔽分別采用一點、兩點接地。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，但實際的金屬材料不可能兼顧這兩個方面，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)以下公式計算：dB=20·log10(E0E1)公式中：E0是屏蔽前的干擾場強，E1是屏蔽后屏蔽保護下的場強。弱電工程應(yīng)用中，增加屏蔽保護

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，這些攜帶能量的電磁波就會被金屬物體如機箱吸收，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，這部分電荷會隨著時間的積累而增加，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。當靜電電勢達到2000伏以上時，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。如通信機房設(shè)備、機柜接地處理等。據(jù)工程經(jīng)驗統(tǒng)計，未采取靜電防護處理與采取防護的電子設(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。在實際工程應(yīng)用中，采用哪種EMI抑制方法，應(yīng)根據(jù)實際環(huán)境綜合分析