從耦合機理探析電磁干擾有效防護措施

周彩霞，易江義

(長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124)

信息與科技的發(fā)展使得電子設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，設(shè)備在工作的同時往往會產(chǎn)生一些有用或無用的電磁能量，這些能量能降低、限制、甚至阻礙或中斷自身或其它設(shè)備的正常工作，影響設(shè)備有效性能的發(fā)揮，從而形成電磁干擾(Electromagnetic Interference即EMI)。當(dāng)今，電子設(shè)備越來越趨于極微弱的信號下工作，信號工作頻率越來越高，動作時間越來越短，因而更容易受到外界EMI或產(chǎn)生EMI；另外高能量高頻率發(fā)射源的增多也使得干擾信號增強[1]。如果不采取有效的防護措施，EMI危害的后果將越來越嚴重，不僅影響電子設(shè)備的正常工作，使其運行失常、失靈，甚至?xí)p害設(shè)備。如何提高設(shè)備的抗EMI能力，降低EMI危害，實現(xiàn)對電子設(shè)備的EMI防護是當(dāng)今尖端的綜合性邊緣學(xué)科——電磁兼容(Electromagnetic Compatibility即EMC)研究的一個熱點。文章主要是依據(jù)干擾耦合的機理，由干擾耦合的傳播途徑入手，來討論EMI的防護技術(shù)——濾波與屏蔽，并站在全局的角度討論EMC的最新設(shè)計方法——分層綜合設(shè)計法。

1 EMI耦合機理

EMI要對電子設(shè)備的正常工作產(chǎn)生影響必須具備三要素：干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備。而EMI的耦合途徑有兩個：傳導(dǎo)耦合與輻射耦合。傳導(dǎo)耦合是通過公共阻抗、電容與電感等多種導(dǎo)電媒質(zhì)將一個電網(wǎng)絡(luò)上的干擾耦合到另一個電網(wǎng)絡(luò)上，屬頻率較低部分的耦合。輻射耦合是由于電磁場的空間輻射引起的，屬頻率較高部分的耦合。對于不同耦合方式引入的EMI可根據(jù)其耦合機理不同而采用不同的防護措施。

2 傳導(dǎo)EMI的防護

濾波器是濾除傳導(dǎo)EMI的重要部件。EMI濾波器是由集總參數(shù)或分布參數(shù)電阻、電感和電容組成的網(wǎng)絡(luò)。其工作原理與普通濾波器一樣，但因其更關(guān)注插入損耗、能量衰減與截止頻率等而具備其特殊性。在設(shè)計和選用濾波器時應(yīng)注意頻率特性、耐壓性能、額定電流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。在安裝濾波器時,不僅安裝位置要恰當(dāng),安裝方法要正確, 而且濾波器內(nèi)部元件的位置布局要合理，才能對EMI起到良好的濾波效果。

在抗EMI 設(shè)計中，EMI濾波器通常分為電源線濾波器和信號線濾波器兩類。兩者除了對電磁干擾都有盡量大的抑制作用之外，分別還有一些特殊的考慮：電源線濾波器除了防止電網(wǎng)電壓波動和高次諧波帶來的不利影響保證滿足安全方面的要求外，還要注意當(dāng)負載電流較大時，電路中的電感不能發(fā)生飽和(導(dǎo)致濾波器性能下降)。信號線濾波器除了抑制并衰減干擾信號以提取有用信號外，還要考慮不能對工作信號有嚴重的影響，不能造成信號的失真。

2.1電源線濾波

電源線上的傳導(dǎo)干擾危害最大也最為薄弱，其包含差模干擾和共模干擾兩類，1MHz以下以差模為主，1MHz以上以共模為主。要把電源線上的EMI控制在有關(guān)EMC標準規(guī)定的極限電平以下，除抑制干擾源以外，最有效的方法就是在電源輸入和輸出接口加裝電源濾波器圖1為高性能T型電源濾波器。該濾波器是由集中參數(shù)元件構(gòu)成的無源低通網(wǎng)絡(luò)，采用兩個共模扼流圈構(gòu)成T型結(jié)構(gòu),其電源端接電網(wǎng)或干擾源，負載端接被干擾設(shè)備。L1 和一只CY，L2 和另一CY 分別構(gòu)成1-E 和2- E 兩對獨立端口低通濾波器，用來抑制電源線上存在的共模EMI。L1 和 L2 是繞在同一磁環(huán)上的兩獨立線圈——共模扼流圈，它們所繞圈數(shù)相同繞向相反，由于L1 和 L2間必定存在漏電感Le，Le與CX又組成1-2獨立端口低通濾波器，起到對差模信號的抑制作用。為了更有效抑制差模EMI，設(shè)計者可人為地增加共模扼流圈的漏電感。R是泄放電阻，與CX組成泄放回路，是為了在電路不工作時迅速釋放存儲在CX中的電荷，以免電擊傷人。

電源濾波器是雙向無源網(wǎng)絡(luò)，具有互易性，所以當(dāng)它安裝入系統(tǒng)中后，既能有效地抑制電子設(shè)備外部的EMI 信號傳入設(shè)備，又能大大衰減設(shè)備本身工作時產(chǎn)生的EMI 信號傳向電網(wǎng)。

2.2 信號線濾波

信號線濾波器安裝在信號線上，通過選擇性地阻攔或分流有害騷擾信號來發(fā)揮作用。信號線濾波既可以采用硬件濾波，也可以采用軟件濾波。當(dāng)然為了極大程度地濾除EMI信號可采用軟硬件相結(jié)合的智能處理方法，對硬件濾波后依然存在的干擾諧波成分，使用軟件濾波 器進一步抑制與隔離EMI噪聲。

硬件濾波時依照其抑制或吸收傳導(dǎo)干擾的工作原理不同分為吸收式濾波器和反射式濾波器2種。吸收式濾波器是利用磁性材料的阻抗頻率特性，通過吸收不需要頻率成分的能量，使之轉(zhuǎn)化為熱能來達到抑制EMI的目的。為了達到最佳的干擾濾除效果，吸收式濾波器在干擾的中心頻段具有最大的阻抗值，而濾波器阻抗的峰值頻率點一般來說會與磁性材料的截止頻率成正比，即與磁性材料的起始磁導(dǎo)率成反比。為了滿足濾除不同頻段電磁干擾的要求，用于吸收式濾波器的材料必須加以系列化，使之有針對性地濾除不同頻段的干擾[2]。反射式濾波器是由電感和電容組合連接而成，通過將不需要頻率成分的能量反射回信號源來達到抑制EMI的目的。由于反射式濾波器容易在高頻率時受到電感、電容的參數(shù)影響，有可能會導(dǎo)致諧振現(xiàn)象，使濾波器的濾波性能大幅下降，因此反射式濾波器一般只適用于抑制頻率相對較低的干擾。不過因為其濾波效果可以通過調(diào)整電感電容值參數(shù)來改變，只要調(diào)整得宜就能產(chǎn)生更佳的濾波效果，且頻段變化也將更靈活[2]。在特定的應(yīng)用中，吸收式濾波器與反射式濾波器串聯(lián)起來組合使用，可達到更好的濾波效果。

軟件濾波是采用濾波軟件或編制濾波程序，對采集的信號進行特殊計算以達到濾除或抑制干擾信號的目的。軟件濾波分FIR和IIR兩種。FIR 濾波器的極點全部在原點，濾波性能永遠穩(wěn)定，有嚴格的線性相位，且可以運用快速傅立葉變換(FFT)算法來提高運輸效率，因此實際應(yīng)用中多采用FIR 濾波。

3 輻射EMI的防護

屏蔽是抑制輻射干擾最有效的方法，其目的有兩個：一是限制屏蔽體內(nèi)部的EMI騷擾超出某一區(qū)域；二是防止外來EMI進入屏蔽體內(nèi)的某一區(qū)域。屏蔽按其原理可分為：電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。用于電場屏蔽的導(dǎo)體需要良好接地才能有效，否則，屏蔽電場的導(dǎo)體不但起不到屏蔽作用，反而對電場輻射干擾起到接力賽的效果，電場會通過感應(yīng)使屏蔽導(dǎo)體帶電。

3.1電屏蔽

電屏蔽是為了抑制寄生電容耦合，隔離靜電或電場干擾。影響電屏蔽效能的重要因素是寄生分布電容，減小分布電容就能提高屏效。最簡單的方法是將干擾源的電力線終止于由良導(dǎo)體制成的屏蔽體，從而切斷干擾源與接收器之間的電力線連接，即在干擾源與接收器之間加一接地良好的金屬板，就可把兩者間的寄生電容短接到地，達到屏蔽的目的。電屏蔽體的形狀最好設(shè)計為盒形，再加上恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計，來進一步減小分布電容。

3.2磁屏蔽

磁屏蔽是為了抑制寄生電感耦合。 磁場屏蔽隨著工作頻率不同所采用的磁屏蔽材料和磁屏蔽原理也不同。對于恒定磁場和低頻(低于 100kHZ)磁場采用導(dǎo)磁率高的鐵磁性材料做屏蔽物。其原理是利用鐵磁材料的高導(dǎo)磁率對干擾磁場進行分路。磁場有磁力線，磁力線通過的主要路徑為磁路，磁路也有的磁阻 Rc。將鐵磁材料置于磁場中時， 由于鐵磁材料的導(dǎo)磁率比空氣的導(dǎo)磁率高很多，因此，鐵磁材料的磁阻 Rc 比空氣的磁阻 Rc 小得多，磁通將主要通過鐵磁材料，而通過空氣的磁通將大為減小，從而起到磁場屏蔽作用。高頻磁場的屏蔽采用第電阻率的良導(dǎo)體材料，如：銅、鐵等。其原理是用導(dǎo)體對磁感應(yīng)干擾進行屏蔽，利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象磁力線穿過導(dǎo)體表面的時候產(chǎn)生渦流，渦流又會產(chǎn)生磁場，新生磁場的方向正好與干擾磁場方向相反互相抵消，達到抑制外磁場的目的。磁屏蔽要利用屏蔽體對磁通分流，因此不能采用板狀結(jié)構(gòu)而應(yīng)采用盒狀、筒狀和柱狀結(jié)構(gòu)。

3.3電磁屏蔽

除了靜電場和恒定磁場外，電場和磁場總是同時出現(xiàn)的。 電磁場屏蔽就是對高頻交變電磁場的屏蔽。從上面電場屏蔽和高頻磁場屏蔽的討論中可以看出，只要將高頻磁場的屏蔽物良好地接地，就能同時達到電場屏蔽的要求，即達到電場和磁場同時屏蔽的目的。 使用導(dǎo)電良好的屏蔽材料，如鋁板、銅板、銅箔或在塑料上鍍鎳或銅，利用它們對干擾電磁波的反射、吸收和多次反射作用，衰減干擾電磁場的能量，達到屏蔽效果。

在屏蔽要求較高時，可采用雙層甚至多層屏蔽。屏蔽層間相互絕緣，內(nèi)層屏蔽一般只與電源地相連，信號等屏蔽只與內(nèi)層屏蔽相連，而外層屏蔽只與大地相連。

4 分層綜合設(shè)計法

事實上，無論是采取濾波還是屏蔽措施，都必須結(jié)合接地技術(shù)才能達到良好的抑制效果，而濾波與屏蔽就猶如人的兩條腿，只有同時存在才能達到平衡，共同構(gòu)成完善的EMI防護，來滿足設(shè)備的傳導(dǎo)標準要求以及輻射要求[3]。

要從根本上解決EMI問題，就應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計之初的方案論證階段，將EMC指標逐級分配到各功能模塊上，細化成系統(tǒng)級、設(shè)備級、PCB級和元件級的指標，然后按照要實現(xiàn)的功能分層依次進行綜合設(shè)計。采用綜合法會降低對濾波與屏蔽的要求，解決EMI問題就會事半功倍，產(chǎn)品的尺寸與重量也將更小更輕。

分層綜合設(shè)計時：第1層為有源器件的選型和PCB設(shè)計；第2層為接地設(shè)計；第3層為屏蔽設(shè)計；第4層為濾波設(shè)計和瞬態(tài)騷擾抑制設(shè)計。對每一層設(shè)計時都要進行濾波、屏蔽和接地的綜合設(shè)計及軟件抗干擾設(shè)計。

在系統(tǒng)的設(shè)計之初就預(yù)測和分析EMC性，并在制造、組裝和實驗的過程中不斷進行[4]。采用良好的電路設(shè)計技術(shù)及正確選擇各類有源與無源元器件[5]，以最佳性價比來滿足抗EMI需求，這樣問題往往可以在最優(yōu)的技術(shù)條件和成本條件下解決。

5 結(jié)束語

對電子設(shè)備進行EMI抑制與防護時，應(yīng)從全局出發(fā)，采用分層綜合設(shè)計方案，根據(jù)各系統(tǒng)的不同要求利用濾波、屏蔽等技術(shù)來完成與實施對設(shè)備EMI的防護。

[1] 崔泓.淺談電磁干擾問題[J].大眾標準化，2009，(S1).

[2] 林宗輝.EMI濾波器的技術(shù)與設(shè)計[J].電源技術(shù)，2008，(5).

[3] 馬永健.EMC設(shè)計工程實務(wù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[4] 何宏.電磁兼容設(shè)計與測試技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[5] 張青山.電磁兼容與系統(tǒng)可靠性設(shè)計[J].吉林大學(xué)學(xué)報，2009，27(3).