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 资讯信息 => 提高设备电磁兼容性的常用方法
发布日期:[2010-6-8]    共阅[977]次
    摘要:为了减小设备的电磁干扰,从而提高设备的电磁兼容性。本文介绍了产生电磁干扰的3个要素。针对经常出现的各种电磁干扰问题,提出了接地、屏蔽、滤波3种抑制电磁干扰的方法,并对这些方法的原理及应用环境进行了分析。同时以某设备的电磁兼容性试验结果,说明了这些方法的实际应用。
关键词:电磁兼容性;电磁干扰;接地;屏蔽;滤波

0 引 言
   电磁兼容性(EMC)技术的早期仅仅考虑对无线电通信、广播有影响的射频干扰。随着干扰源范围的扩大及电磁能量应用形式的增多,电磁骚扰不再局限于辐射,还要考虑感应、耦合和传导引起的电磁干扰。由于电子设备的发展及广泛应用,造成了复杂的电磁环境;由于频谱资源有限,造成频道拥挤,干扰日益严重;随着电子设备的性能要求越来越高,使其相互间的干扰越来越严重,往往使电子设备或系统不能正常工作,并且还会对人体健康带来影响。这就促使电磁兼容技术迅速发展起来。
l 提高设备电磁兼容性的方法
  电磁兼容性是指器件、设备或分系统在所处电磁环境中良好运行,并且不对其所在环境产生任何难以承受的电磁骚扰的能力,它包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感度(EMS)两方面。产生电磁干扰的三要素为骚扰源、耦合途径和感受器。在电磁兼容性设计、改进过程中,常用的抑制电磁干扰的方法有接地、屏蔽、滤波等。这3种方法对提高设备的电磁兼容性有着重要的意义。
1.1 接 地
  电子设备中主要有3种基本接地方式;悬浮地、单点接地和多点接地。悬浮地是将电路或设备与一个共同接地平面隔离,或与可能引入循环电流的共同配线隔离,避免地线或其他线路上的干扰信号进入设备。但这种接地方式容易在设备上形成静电积累,当电荷达到一定程度后就会产生静电放电。悬浮地适用于频率较低情况(小于1MHz)下采用。这时电容耦合路径可忽略 值得提及的是,某设备进行静电放电敏感度测试,第一次测试时,信号地与机壳地间绝缘电阻值大于2O MQ,在电源开关、电源电缆、面板螺钉、盖板螺钉4个点施加高压静电,结果导致主机传输数据丢失,终端屏幕显示消失。然后将该设备机箱内信号地与机壳地接通,重复上述试验,机器运行正常。
  所以,某些采用信号地悬浮方式的设备、子系统在进行静电放电敏感度试验时,需将悬浮的信号地与大地接通,否则可能会出现信息丢失现象。
单点接地是把整个电路系统中某一结构点作为接地基准点,其他各单元的信号地都连接到这一点上,如图1所示。单点接地可分为串联式单点接地与并联式单点接地。串联式单点接地因各单元共用一条线,易引起共地阻抗干扰,但使用较方便。布局时,宜将相对低电平电路放在接地点近处。并联式单点接地是将电路各个单元都用单独的地线连接到一个接地点,各电路地电位只与本电路地电流及地线阻抗有关,低频时能有效避免各电路单元间的相互影响。但它易造成各地线间的电感、电容耦合。尤其在高频时会造成相互干扰,而且地线数量增多,布线复杂,设备成本提高。一般情况下,低频电路适宜单点接地,如果多点接地,会出现闭合的接地环路。当低频或脉冲磁场穿过该环路时,将产生磁感应噪声,从而在不同接地点之间出现地电位差,形成干扰。

  多点接地是指设备或分系统各个接地点都直接连接到距它最近的接地平面上,使接地线的长度最短。地线阻抗会随着频率上升而增加,特别是当地线长度与工作波长可比拟时,地线上电压、电流呈驻波分布,地线变成辐射天线。所以高频时应尽量限制地线的长度并提高地线表面的电导率。高频电路为降低其接地阻抗、削弱分布电容的影响,多采取多点接地方式。多点接地使接地线上可能出现的高频驻波现象减小,电路结构也比单点接地简单,但是容易出现许多地线回路,对较低电平信号单元有不良影响。而且随着接地点的增多,维护起来也比较烦琐。
  为适应线路高低频两方面的工作特性,必要时可采取混合接地方式,即将设备内的地线分为电源地和信号地两大部分,各分信号地接到总信号地线上,各分电源地接到总电源地线上,最后两根总地线连至一个公共入地点。在信号地中,应根据不同工作频率采用相应的接地方式:射频、中放采用多点接地;显示器、记录仪等低频电路采用单点接地方式。
1.2 屏 蔽
  电磁屏蔽是借助于屏蔽体阻止电磁场在空间传播,其效能的好坏与电磁波的性质和所用屏蔽体的自身特性有关。电磁屏蔽有两方面作用,一是将受扰敏感体用屏蔽体包封,防止外界的电磁干扰;二是将可能的干扰源实施屏蔽,使之不能对外界产生电磁干扰。对干扰源或感受器进行屏蔽,能有效地抑制干扰并提高电子设备的电磁兼容性,是电子设备必须考虑的重要措施之一。
  具有屏蔽作用的设备机箱一般均用金属板制成,电磁波能量一部分被反射损耗,一部分被吸收损耗。实际情况中经常会出现这种现象:一台设备电磁兼容性试验中敏感度测试都通过了,而发射试验不合格。究其原因是技术人员在设计过程中较注重抗干扰,而忽视了设备对外产生干扰的问题。设备机箱在电气上不可能是个连续、均匀、无孔洞缝隙的无限平面,箱体与面板接合处、机箱上的输入输出孔洞、螺钉安装孔等电气上不连续区域,都会造成电磁能量的泄漏,降低机箱的屏蔽效能。
  机箱使用普通的氧化措施有时不能满足其电磁屏蔽的要求,只有对其进行导电氧化,才能保证箱体壁的电连续性。机箱的接缝有永久性和非永久性两种。永久性接缝处的射频阻抗几乎与金属板本身的射频阻抗相等,从而保证了屏蔽体结合处电气的连续性,屏蔽效果好。非永久性接缝如箱体与面板之间,箱体与箱盖之间以及面板上指示灯、开关、电缆连接器与面板之间,接合处通常用螺钉紧固,不可避免地产生缝隙,影响机箱屏蔽效能。针对这种情况,可采取以下措施来提高非永久接缝的屏蔽效能:(1)在结构可能的条件下,尽量增加螺钉数以减小螺钉问距;(2)在接缝处涂上导电的屏蔽辅助材料,密封因安装开关、指示灯、连接器可能产生的缝隙;(3)在接合面上加装导电衬垫。但需注意如果导电衬垫的安装需开沟槽,其沟槽深度应适中,以能保证接合面有良好的电气接触为准则。另外,导电材料应有足够高的电导率,使接缝处的射频阻抗极小;(4)机箱通风孔洞上覆盖金属网,这样既有效地提高屏蔽效能,又不影响整机的通风散热。
1.3 滤 波
  波滤器是由电阻、电感、电容组成的选择性网络。它能衰减不需要的电磁信号,允许需要的某一频率范围的信号通过。滤波是抑制电磁传导干扰的主要手段之一。一方面能减少传导干扰,另一方面也能削弱由传导干扰引起的辐射干扰。但滤波器一般适合做前期不良设计的补救措施,因其可靠性比接地和屏蔽要低,而成本相对要高,又需占用一定空间。
  滤波器按频率特性可分为低通、高通、带通和带阻滤波器;按形式可分为T型、7【型、L型和C型滤波器;按结构组成可分为LC、RC、机械、陶瓷、晶体、螺旋和声表面滤波器等。
  电磁兼容技术中最常用的是低通滤波器。最简单的低通滤波器就是一个单电容,接在电源线问能衰减差模干扰,接在电源和地线间能衰减共模干扰,接在印制电路板中的直流电源间能消除电源噪声。双电容器串联的滤波器,并联在电源电路中,两个电容器的连接点接地,将干扰电流旁路人大地,可有效地消除共模干扰。用作滤波器的电感器件,为避免负载电流使电感磁芯发生磁饱和,常采用差模扼流圈或共模扼流圈的电感线圈。使用环形磁芯的电感滤波器,互感系数为负,能较好地衰减共模干扰。
   这些低通滤波器可以级联。同类滤波器级联可于阻带获得高于单级滤波器的衰减。不同类型滤波器级联可

滤波器。LC波滤器的应用频率范围较宽,特性较好,故常用的电源滤波器都是这一类。从滤波器的滤波机理来看,有反射式滤波器和吸收式滤波器两种,一般I C滤波器属于反射式滤波器。当它与信号源不匹配时,反射一部分有用能量回信号源,这将导致干扰电平的增加。为拓宽抑制带宽,在电磁干扰滤波器中有一类吸收式滤波器,能使有用信号有效地通过,不需要的干扰信号被转化为热量。电源系统和干扰源的阻抗值变化范围都较大,要提供一个恒定值作为设计参考是很困难的。电磁干扰的频谱又很宽,滤波器的高频特性也不能用元件的等效集中参数来表示。所以针对一个具体的电源线路究竟选择什么样的滤波器,往往需要通过一系列试验来积累经验,以验证其效果。

2 实例验证
  图2是某设备的CE102测试结果,可见在一些频率点超出了极限值。

可见,EMI滤波器对电源线传导干扰的衰减程度较为明显,通过加装EMI滤波器使该设备通过了CE102测试。
   除了正确选择滤波器外,还要考虑滤波器的安装位置,只有正确地安装才能达到预期的效果。滤波器应安装在设备的电源线入口处,并予以屏蔽;电磁干扰滤波器输入输出线应尽量远离,并宜选用双绞线;滤波器要良好接地。
3 结束语
  电磁兼容性问题是一个非常复杂的问题,本文只是提出了电磁兼容性技术中一些基本方法。要想获得一个较好的电磁兼容性效果,必须从设计时就要考虑,因为一旦设备设计完成之后,对其进行一些结构上的改进是比较困难的。单纯用一些理论公式进行计算设计也是不够的,比如要选择什么样的滤波器才能达到预期效果,这些都要在电磁兼容理论的基础上,通过具体实践来解决。

 
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