某類大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的電磁兼容性研究*

杜 鵬 董琳琳

(91550部隊(duì)91分隊(duì) 大連 116023)

某類大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的電磁兼容性研究*

杜 鵬 董琳琳

(91550部隊(duì)91分隊(duì) 大連 116023)

文章對(duì)電磁兼容性(EMC)的概念及電磁干擾的來(lái)源進(jìn)行了介紹,并介紹了某類大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)存在的主要干擾及干擾測(cè)量方法,從抑制干擾源、切斷傳播途徑、提高敏感器件的抗干擾性能三個(gè)方面闡述了干擾防護(hù)措施。

電磁兼容性;電磁干擾;干擾測(cè)量

Class NumberV211.7

1 引言

本文所說(shuō)的大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)通常在電磁場(chǎng)條件比較惡劣的環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn),包括本身的各類發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、轉(zhuǎn)發(fā)器等在系統(tǒng)本身和周圍產(chǎn)生多個(gè)頻段的電磁信號(hào),在各種倍頻、分頻、混頻電路中又會(huì)產(chǎn)生很多頻段的電磁干擾,加上各種測(cè)控、通信設(shè)備發(fā)送的強(qiáng)電磁信號(hào),以及內(nèi)部供電系統(tǒng)和多種不確定的干擾源,各種電磁干擾威脅著整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行,使系統(tǒng)在測(cè)試、發(fā)射、飛行過(guò)程中發(fā)生故障。

檢測(cè)信號(hào)和指令信號(hào)中混入干擾信號(hào)后,可能擾亂程序的正常執(zhí)行,使指令信號(hào)失常,檢測(cè)信號(hào)異常;存儲(chǔ)器或寄存器中的數(shù)據(jù)可能由于受到干擾而改變;環(huán)境中的電磁信號(hào)干擾和系統(tǒng)內(nèi)部的相互竄擾,更是極大地威脅著系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)和數(shù)字系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、可靠性和安全性,干擾嚴(yán)重時(shí)還可能使設(shè)備的微處理器不能正常工作,出現(xiàn)計(jì)算機(jī)死機(jī)現(xiàn)象。

對(duì)于工作密級(jí)較高的試驗(yàn)場(chǎng)所而言,設(shè)備的電磁泄漏也同樣威脅著系統(tǒng)的信息安全,如計(jì)算機(jī)的鍵盤、顯示屏等都會(huì)使信息輻射泄漏出去,這些信息,一旦被敵方截獲,將會(huì)造成巨大損失。

因此,有效地抑制和防護(hù)電磁干擾是這類大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)試驗(yàn)中必須進(jìn)行的工作。

2 EMC相關(guān)概念

電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)是指電子、電器設(shè)備共處一個(gè)環(huán)境中能互不干擾、兼容工作的能力,對(duì)于一個(gè)設(shè)備,既要求它不產(chǎn)生過(guò)大的干擾使其它設(shè)備工作失常,也要求它具有一定的抗干擾能力,以保證在其他設(shè)備發(fā)出的干擾環(huán)境下能正常工作。

電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)是指任何能中斷、障礙、降低或限制通信電子設(shè)備有效性能的電磁能量。

電磁敏感度(Electromagnetic Susceptibility,EMS)即設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)暴露在電磁輻射下所呈現(xiàn)的不希望有的響應(yīng)程度。電磁敏感度也分為輻射敏感度和傳導(dǎo)敏感度。

系統(tǒng)和分系統(tǒng)的EMI和EMS是其重要的特性,只有控制和限制它們才能實(shí)現(xiàn)EMC。

圖1 電磁兼容三要素

電磁兼容三要素是干擾源(騷擾源)、耦合通路和敏感體。切斷以上任何一項(xiàng)都可解決電磁兼容問(wèn)題,如圖1所示。圖中RE為輻射發(fā)射,RS為輻射敏感度,CE為傳導(dǎo)發(fā)射,CS為傳導(dǎo)敏感度。

電磁兼容的解決方案常用的方法主要有屏蔽、接地和濾波,但是這三者或者這三者以外的方案有著必然的聯(lián)系。

3 大型復(fù)雜機(jī)電設(shè)備存在的主要干擾及來(lái)源

3.1 系統(tǒng)內(nèi)部的電磁干擾

1)天線間的干擾。系統(tǒng)中天線間的輻射干擾為主要的電磁干擾,由于系統(tǒng)內(nèi)部空間狹小,天線布置不合理可能產(chǎn)生嚴(yán)重的射頻輻射危害。

2)單線制電網(wǎng)公共地線干擾。采用單線制供電方式的設(shè)備主電網(wǎng),一般將設(shè)備殼體作為電源負(fù)線,在公共地線上會(huì)匯集所有瞬態(tài)干擾和噪聲干擾,沿著設(shè)備殼體送給所有用電設(shè)備。

3)電源脈動(dòng)電壓干擾。設(shè)備中的直流發(fā)電機(jī)和二次電源,以及地面檢測(cè)用的直流電源都存在脈動(dòng)電壓(波紋電壓)。其頻帶較寬,在0.01kHz～200kHz內(nèi)能產(chǎn)生較強(qiáng)的低頻磁場(chǎng),沿著電源線耦合進(jìn)入所有用電設(shè)備,產(chǎn)生脈動(dòng)電壓干擾,其中峰值干擾最嚴(yán)重,尤其對(duì)低電平信號(hào)影響較大。

4)瞬態(tài)干擾。設(shè)備中發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)和負(fù)載變化,都會(huì)產(chǎn)生電壓瞬態(tài)變化過(guò)程,其尖峰電壓和浪涌電壓雖然時(shí)間很短,但峰值很高。

5)導(dǎo)體間的交叉干擾。線間耦合是系統(tǒng)中僅次于天線耦合的一種重要耦合途徑,而在設(shè)備中則是居首位的干擾原因。

6)屏蔽和接地引發(fā)的干擾。設(shè)備上高頻設(shè)備如雷達(dá)發(fā)射機(jī)、遙測(cè)發(fā)射機(jī)和無(wú)線電高度表發(fā)出的射頻能量由設(shè)備上縫隙或小艙口滲透到設(shè)備內(nèi),將產(chǎn)生很大的電磁泄漏,造成嚴(yán)重的干擾。

3.2 其他外來(lái)干擾

如人為干擾中的工業(yè)干擾、無(wú)線廣播電視信號(hào)、移動(dòng)通訊信號(hào),自然干擾中的雷電和靜電放電、天電干擾、宇宙干擾信號(hào)以及其它外來(lái)干擾信號(hào)等。

4 EMC技術(shù)的應(yīng)用

4.1 干擾的測(cè)量

要徹底解決大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)中存在的干擾問(wèn)題,關(guān)鍵是要對(duì)系統(tǒng)接受的電磁輻射進(jìn)行定量測(cè)量,然后再進(jìn)行有針對(duì)性的防護(hù)。EMC測(cè)試必須依據(jù)EMC標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范給出的測(cè)試方法進(jìn)行,并以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限值作為判據(jù)。文獻(xiàn)[1]指出,EMC測(cè)量的三個(gè)關(guān)鍵是:

1)測(cè)量產(chǎn)品的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾,測(cè)量產(chǎn)品所處的電磁環(huán)境,測(cè)量一個(gè)系統(tǒng)電源的EMI特性等來(lái)摸清干擾源的特性;

2)測(cè)量濾波器、屏蔽殼體、接地系統(tǒng)的特性,測(cè)量屏蔽材料、導(dǎo)電襯墊、電磁波吸收材料的衰減特性、天線耦合度、電纜串音等來(lái)摸清干擾路徑(耦合通路)的特性;

3)測(cè)量傳導(dǎo)敏感度和輻射敏感度,測(cè)量系統(tǒng)中設(shè)備的EMC安全裕度、安全放電(ESD)、雷電放電等來(lái)摸清受擾設(shè)備(敏感體)的響應(yīng)特性。

在對(duì)大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)實(shí)際的測(cè)試中,可以根據(jù)大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的特點(diǎn)及干擾類型選擇測(cè)量方法、測(cè)量設(shè)備和試驗(yàn)場(chǎng)地。例如對(duì)輻射干擾的測(cè)量,我們一般選擇橢圓形開闊場(chǎng)或半電波暗室;測(cè)量接收機(jī)為30～1000MHz,滿足 GB/T6113.1;天線選用對(duì)數(shù)偶極子天線或雙錐天線,滿足GB/T6113.1;接地平板符合GB/T6113.1。

測(cè)量方法及步驟:

1)將天線取水平極化方向并置于某一適當(dāng)高度,轉(zhuǎn)臺(tái)置于某一適當(dāng)角度,在30～1000MHz范圍內(nèi)用峰值檢波進(jìn)行初測(cè);

2)在0°～360°之間旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái),在初測(cè)時(shí)干擾較大的頻率點(diǎn)上,尋找被測(cè)設(shè)備最大干擾電平(準(zhǔn)峰值);

3)在1～4m高度范圍內(nèi)升降天線,尋找該頻率點(diǎn)上的最大干擾電平;

4)改變天線極化方向,改為垂直極化,重復(fù)上述測(cè)量。

4.2 干擾的抑制和預(yù)防

抑制和防護(hù)干擾的基本原則是:抑制干擾源,切斷干擾傳播路徑,提高敏感器件的抗干擾性能。

大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)由許多電子設(shè)備構(gòu)成,電源、電子元件、繼電器、電路板、單片機(jī)、導(dǎo)線等是構(gòu)成這一系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元。只有充分考慮到這些基本單元的EMC特性,才能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的干擾作出有效的防護(hù)和抑制。下面就從三個(gè)方面出發(fā)具體談?wù)劥笮蛷?fù)雜機(jī)電系統(tǒng)抗干擾的具體措施。

4.2.1 抑制干擾源

抑制干擾源就是盡可能地減小干擾源的du/dt,di/dt。這是抗干擾設(shè)計(jì)中最優(yōu)先考慮和最重要的原則,常常會(huì)起到事半功倍的效果。減小干擾源的du/dt主要是通過(guò)在干擾源兩端并聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。減小干擾源的di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)具體的測(cè)控設(shè)備,抑制干擾源的常用措施如下:

1)繼電器線圈增加續(xù)流二極管,消除斷開線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾。僅加續(xù)流二極管會(huì)使繼電器的斷開時(shí)間滯后,增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時(shí)間內(nèi)可動(dòng)作更多的次數(shù)。

2)在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路(一般是RC串聯(lián)電路,電阻一般選幾K到幾十K,電容選0.01μ F),減小電火花影響。

3)給電機(jī)加濾波電路,注意電容、電感引線要盡量短。

4)電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01μ F～0.1μ F高頻電容,以減小IC對(duì)電源的影響。注意高頻電容的布線,連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短,否則,等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻,會(huì)影響濾波效果。

5)設(shè)備內(nèi)部布線時(shí)避免90°折線,減少高頻噪聲發(fā)射。

6)可控硅兩端并接RC抑制電路,減小可控硅產(chǎn)生的噪聲(這個(gè)噪聲嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)把可控硅擊穿的)。

4.2.2 切斷傳播途徑

按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。所謂傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾,其中電源噪聲的危害最大,要特別注意處理。高頻干擾噪聲和有用信號(hào)的頻帶不同,可以通過(guò)在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播,有時(shí)也可加隔離光耦來(lái)解決。所謂輻射干擾是指通過(guò)空間輻射傳播到敏感器件的干擾,一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離,用地線把它們隔離和在敏感器件上加屏蔽罩。

切斷干擾傳播路徑的常用措施如下:

1)充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好,整個(gè)電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感,要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器,以減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。比如,可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路,當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用100Ω電阻代替磁珠。

2)如果單片機(jī)的I/O口用來(lái)控制電機(jī)等噪聲器件,在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離(增加π形濾波電路)。控制電機(jī)等噪聲器件,在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離(增加π形濾波電路)。

3)注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近,用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái),晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問(wèn)題。

4)電路板合理分區(qū),如強(qiáng)、弱信號(hào),數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源(如電機(jī),繼電器)與敏感元件(如單片機(jī))遠(yuǎn)離。

5)用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離,數(shù)字地與模擬地要分離,最后在一點(diǎn)接于電源地。

6)單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地,以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。

7)在單片機(jī)I/O口,電源線,電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器,屏蔽罩,可顯著提高電路的抗干擾性能。

4.2.3 提高敏感器件的抗干擾性能

提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對(duì)干擾噪聲的獲取,以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。

提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下:

1)布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積,以降低感應(yīng)噪聲。

2)布線時(shí),電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外,更重要的是降低耦合噪聲。

3)對(duì)于單片機(jī)閑置的I/O口,不要懸空,要接地或接電源。其它IC的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。

4)對(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門狗電路,如:IMP809,IMP706,IMP813,X25043,X25045 等 ,可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能。

5)在速度能滿足要求的前提下,盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路。

6)IC器件盡量直接焊在電路板上,少用IC座。

5 結(jié)語(yǔ)

本類大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)中的電子儀器、電子設(shè)備較多,系統(tǒng)復(fù)雜程度高,對(duì)電磁干擾的治理和防護(hù)是設(shè)計(jì)和測(cè)試工作中應(yīng)予以高度重視的內(nèi)容。系統(tǒng)全面地分析本類大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的電磁環(huán)境是順利開展系統(tǒng)試驗(yàn)工作的首要前提,依據(jù)EMC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)存在的電磁輻射進(jìn)行定量測(cè)量是必要條件,只有較為全面地考慮到電磁干擾影響并積極地加以防治,降低干擾程度,才能較好地發(fā)揮系統(tǒng)效能。

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Research on the EMC of Some Large-sized Complicated Electro-mechanical System

Du Peng Dong Linlin
(Unit 91,No.91550 Troops of PLA,Dalian 116023)

In this paper,the concept of electro-magnetic compatibility(EMC)and electromagnetic interference sources are firstly introduced,then based on some large-sized complicated electro-mechanical system,several sources of interference and interferences measurement methods are also introduced.At the end of this paper,interference prevents methods as how to depress interference sources,chop propagation path,increase the anti-interference of sensitive device are illustrated in detail.

EMC,electromagnetic interference,jamming measure

V211.7

2010年8月27日,

2010年9月28日

杜鵬,男,工程師,研究方向:試驗(yàn)測(cè)控。董琳琳,女,工程師,研究方向:制導(dǎo)和控制。