電子設備中抑制和防止電磁干擾的各種措施方法介紹

本文全面地論述了電子設備的電磁兼容性問題。比較詳細地分析了干擾源、干擾的傳遞途徑，并介紹了有效抑制和防止干擾的各種措施及其原理。

1 引言

——隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代的電子設備已廣泛地應用于人類生活的各個領域。當前，電子設備已處于飛速發(fā)展的時期，并且這個發(fā)展過程仍以日益增長的速度持續(xù)著。電子設備的廣泛應用和發(fā)展，必然導致它們在其周圍空間產(chǎn)生的電磁場電平的不斷增加。也就是說，電子設備不可避免地在電磁環(huán)境（EME）中工作。因此，必須解決電子設備在電磁環(huán)境中的適應能力。電磁兼容性（EMC）是一門關(guān)于抗電磁干擾（EMI）影響的科學。目前，就世界范圍來說，電磁兼容性問題已經(jīng)形成一門新的學科。電磁兼容的中心課題是研究控制和消除電磁干擾，使電子設備或系統(tǒng)與其它設備聯(lián)系在一起工作時，不引起設備或系統(tǒng)的任何部分的工作性能的惡化或降低。一個設計理想的電子設備或系統(tǒng)應該既不輻射任何不希望的能量，又應該不受任何不希望有的能量的影響。

2 電磁干擾源的分類

——各種形式的電磁干擾是影響電子設備電磁兼容性的主要因素，因此，它是電磁兼容性設計中需要研究的重要內(nèi)容。

2.1 內(nèi)部干擾

——內(nèi)部干擾是指電子設備內(nèi)部各元部件之間的相互干擾，包括以下幾種。

——（1）工作電源通過線路的分布電容和絕緣電阻產(chǎn)生漏電造成的干擾；（與工作頻率有關(guān)）

——（2）信號通過地線、電源和傳輸導線的阻抗互相耦合，或?qū)Ь€之間的互感造成的干擾；

——（3）設備或系統(tǒng)內(nèi)部某些元件發(fā)熱，影響元件本身或其它元件的穩(wěn)定性造成的干擾；

——（4）大功率和高電壓部件產(chǎn)生的磁場、電場通過耦合影響其它部件造成的干擾。

2.2 外部干擾

——外部干擾是指電子設備或系統(tǒng)以外的因素對線路、設備或系統(tǒng)的干擾，包括以下幾種。

——（1）外部的高電壓、電源通過絕緣漏電而干擾電子線路、設備或系統(tǒng)；

——（2）外部大功率的設備在空間產(chǎn)生很強的磁場，通過互感耦合干擾電子線路、設備或系統(tǒng)；

——（3）空間電磁波對電子線路或系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾；

——（4）工作環(huán)境溫度不穩(wěn)定，引起電子線路、設備或系統(tǒng)內(nèi)部元器件參數(shù)改變造成的干擾；

——（5）由工業(yè)電網(wǎng)供電的設備和由電網(wǎng)電壓通過電源變壓器所產(chǎn)生的干擾。

3 干擾的傳遞途徑

——當干擾源的頻率較高、干擾信號的波長又比被干擾的對象結(jié)構(gòu)尺寸小，或者干擾源與被干擾者之間的距離r》》λ／2π時，則干擾信號可以認為是輻射場，它以平面電磁波形式向外副射電磁場能量進入被干擾對象的通路。

——（2）干擾信號以漏電和耦合形式，通過絕緣支承物等（包括空氣）為媒介，經(jīng)公共阻抗的耦合進入被干擾的線路、設備或系統(tǒng)。

——如果干擾源的頻率較低，干擾信號的波長λ比被干擾對象的結(jié)構(gòu)尺寸長，或者干擾源與干擾對象之間的距離r《《λ／2π，則干擾源可以認為是似穩(wěn)場，它以感應場形式進入被干擾對象的通路。

——（3）干擾信號可以通過直接傳導方式引入線路、設備或系統(tǒng)。

4 電磁兼容性設計的基本原理

4.1 接地

——接地是電子設備的一個很重要問題。接地目的有三個：

——（1）接地使整個電路系統(tǒng)中的所有單元電路都有一個公共的參考零電位，保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定地干作。

——（2）防止外界電磁場的干擾。機殼接地可以使得由于靜電感應而積累在機殼上的大量電荷通過大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設備內(nèi)部的火花放電而造成干擾。另外，對于電路的屏蔽體，若選擇合適的接地，也可獲得良好的屏蔽效果。

——（3）保證安全工作。當發(fā)生直接雷電的電磁感應時，可避免電子設備的毀壞；當工頻交流電源的輸入電壓因絕緣不良或其它原因直接與機殼相通時，可避免操作人員的觸電事故發(fā)生。此外，很多醫(yī)療設備都與病人的人體直接相連，當機殼帶有110V或220V電壓時，將發(fā)生致命危險。

——因此，接地是抑制噪聲防止干擾的主要方法。接地可以理解為一個等電位點或等電位面，是電路或系統(tǒng)的基準電位，但不一定為大地電位。為了防止雷擊可能造成的損壞和工作人員的人身安全，電子設備的機殼和機房的金屬構(gòu)件等，必須與大地相連接，而且接地電阻一般要很小，不能超過規(guī)定值。

——電路的接地方式基本上有三類，即單點接地、多點接地和混合接地。單點接地是指在一個線路中，只有一個物理點被定義為接地參考點。其它各個需要接地的點都直接接到這一點上。多點接地是指某一個系統(tǒng)中各個接地點都直接接到距它最近的接地平面上，以使接地引線的長度最短。接地平面，可以是設備的底板，也可以是貫通整個系統(tǒng)的地導線，在比較大的系統(tǒng)中，還可以是設備的結(jié)構(gòu)框架等等。混合接地是將那些只需高頻接地點，利用旁路電容和接地平面連接起來。但應盡量防止出現(xiàn)旁路電容和引線電感構(gòu)成的諧振現(xiàn)象。

4.2 屏面

——屏蔽就是對兩個空間區(qū)域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應和輻射。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個系統(tǒng)的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴散；用屏蔽體將接收電路、設備或系統(tǒng)包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。

——因為屏蔽體對來自導線、電纜、元部件、電路或系統(tǒng)等外部的干擾電磁波和內(nèi)部電磁波均起著吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場，可抵消部分干擾電磁波）的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能。

——屏蔽體材料選擇的原則是：

——（1）當干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率（高電導率）的金屬材料中產(chǎn)生的渦流（P=I2R，電阻率越低（電導率越高），消耗的功率越大），形成對外來電磁波的抵消作用，從而達到屏蔽的效果。

——（2）當干擾電磁波的頻率較低時，要采用高導磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)部，防止擴散到屏蔽的空間去。

——（3）在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時，往往采用不同的金屬材料組成多層屏蔽體。

4.3 其它抑制干擾方法

——（1）濾波

——濾波是抑制和防止干擾的一項重要措施。濾波器可以顯著地減小傳導干擾的電平，因為干擾頻譜成份不等于有用信號的頻率，濾波器對于這些與有用信號頻率不同的成份有良好的抑制能力，從而起到其它干擾抑制難以起到的作用。所以，采用濾波網(wǎng)絡無論是抑制干擾源和消除干擾耦合，或是增強接收設備的抗干擾能力，都是有力措施。用阻容和感容去耦網(wǎng)絡能把電路與電源隔離開，消除電路之間的耦合，并避免干擾信號進入電路。對高頻電路可采用兩個電容器和一個電感器（高頻扼流圈）組成的CLCMπ型濾波器。濾波器的種類很多，選擇適當?shù)臑V波器能消除不希望的耦合。

——（2）正確選用無源元件

——實用的無源元件并不是“理想”的，其特性與理想的特性是有差異的。實用的元件本身可能就是一個干擾源，因此正確選用無源元件非常重要。有時也可以利用元件具有的特性進行抑制和防止干擾。

——（3）電路技術(shù)

——有時候采用屏蔽后仍不能滿足抑制和防止干擾的要求，可以結(jié)合屏蔽，采取平衡措施等電路技術(shù)。平衡電路是指雙線電路中的兩根導線與連接到這兩根導線的所有電路，對地或?qū)ζ渌鼘Ь€都具有相同的阻抗。其目的在于使兩根導線所檢拾到的干擾信號相等。這時的干擾噪聲是一個共態(tài)信號，可在負載上自行消失。另外，還可采用其它一些電路技術(shù)，例如接點網(wǎng)絡，整形電路，積分電路和選通電路等等?？傊捎秒娐芳夹g(shù)也是抑制和防止干擾的重要措施。

5 電磁兼容性問題的規(guī)范和標準

——在電磁兼容性方面有一系列各國必須遵守的國際協(xié)定以及建設性的規(guī)則。電磁兼容性有關(guān)組織——國際電工技術(shù)委員會（IEC）的國際無線電干擾特別委員會（CISPR），主要研究無線電系統(tǒng)中干擾噪聲的測量。1976年，CISPR開始制訂電磁干擾的EMI標準。1900年10月在幾經(jīng)修訂基礎上公布再版標準，隨后該委員會還與國際無線通信資詢委員會一起審議，為電子產(chǎn)品電磁兼容性的檢測制訂數(shù)據(jù)要求及具體方法。制訂了以信息技術(shù)裝置噪聲為對象的“工業(yè)、科學及醫(yī)療用無線電儀器的干擾特性允許值及其測量方法”（標準11號）；“車輛、機動船和火花點火發(fā)動驅(qū)動裝置無線電干擾特性的測量方法及允許值”（標準12號）；“無線電和電視接收機的無線電干擾特性的測量方法及允許值”（標準13號）等。直至1992年中期，國際EMI標準才最終完善起來。CISPR推薦的容限已為世界上許多國家所采納，并作為其國家條例的基礎。

——無線電發(fā)射機功率電平是影響周圍無線電電子設備，產(chǎn)生干擾電平的一個重要因素。因此無線電發(fā)射機功率電平應該受到限制。例如，根據(jù)無線電通信咨詢委員會357-1號建議，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面微波中繼通信線路共同使用的（5800～8100MHz）頻段上，當給到天線上的功率不超過13dBW時，應該限制微波中繼通信線路的發(fā)射機有效輻射功率（即發(fā)射機功率和天線增益的乘積）數(shù)值為55dBW。建議同時限制衛(wèi)星通信的地面站的功率及通信衛(wèi)星輻射功率通量密度。許多其它的無線電業(yè)務，例如業(yè)余無線電愛好者的，移動通信系統(tǒng)等的發(fā)射機功率的最大值也應該受到限制。

——頻率規(guī)劃在全國和全世界范圍內(nèi)已被廣泛采用，是提高射頻資源利用率的一種途徑，也是保證無線電電子設備電磁兼容性的重要措施之一。因此應嚴格按照國際協(xié)議（無線電頻率分配表）和全國文件，實行國家、地區(qū)的頻帶劃分和業(yè)務之間的頻帶分配。根據(jù)頻率—空間分配的原理進行無線頻道分配。頻率規(guī)劃必須保證每個無線電電子設備干擾電平最小，或消除干擾，由國家無線電管理委員會負責協(xié)調(diào)。

——近年來，我國許多部門都在開展電磁兼容性的試驗研究和有關(guān)技術(shù)標準的制定工作，制定了一系列標準和規(guī)范。例如，國家標準GB3907-83為工業(yè)無線電干擾基本測量方法；GB4824.1-84為工業(yè)、科學和醫(yī)療射頻設備無線電干擾允許值；GB6279-86為車輛、機動船和火花點火發(fā)動機驅(qū)動裝置無線電特性測量方法及允許值等。國家無線電管理委員會對工、科、醫(yī)等電子設備的使用頻率、帶寬和最大輻射場強都作出了具體規(guī)定。這對保證電子設備的正常工作和人民的正常生活以及促進現(xiàn)代科學技術(shù)更迅速發(fā)展，都起了重要的作用。

6 一些典型電磁兼容性問題的解決

——由于電子技術(shù)在各行各業(yè)中的廣泛應用，在人類活動的空間無處不充斥著電磁波，因此，電子設備不解決電磁波干擾問題，就不能兼容工作。在實際應用中，人們在研究抗干擾技術(shù)方面也積累了大量的經(jīng)驗，不斷地研究出許多實用的方法來消除電磁干擾。

——實驗發(fā)現(xiàn)汽車工作時，電磁干擾相當突出，嚴重時會損壞電子元器件。因此，汽車電子設備的電磁環(huán)境最為惡劣，汽車電子設備的電磁兼容性問題也特別受到人們的重視。汽車點火所產(chǎn)生的高頻輻射最為突出。日本和美國等先進國家的環(huán)保部門為防止汽車電氣噪聲對環(huán)境的污染，規(guī)定只能使用帶阻尼（如碳芯）的屏蔽線作為點火線，實踐表明這是很有效的措施。

——為了解決微電技術(shù)，尤其是計算機在汽車上的應用和推廣，根據(jù)需要和實際要求，可以設計出效果良好的濾波電路，置于前級可使大多數(shù)因傳導而進入系統(tǒng)的干擾噪聲消除在電路系統(tǒng)的入口處；可以設置隔離電路，如變壓器隔離和光電隔離等解決通過電源線、信號線和地線進入電路的傳導干擾，同時阻止因公共阻抗、長線傳輸而引起的干擾；也可以設置能量吸收回路，從而減少電路、器件吸收的噪聲能量；或通過選擇元器件和合理安排電路系統(tǒng)，使干擾的影響減小。

——微機設備的軟件抗干擾主要是穩(wěn)定內(nèi)存數(shù)據(jù)和保證程序指針。微機是一個可編程控制裝置，軟件可以支持和加強硬件的抗干擾能力。如果微機系統(tǒng)中隨機內(nèi)存RAM主要用于測量和控制時數(shù)據(jù)的暫時存放，內(nèi)存空間較小，對存放的數(shù)據(jù)而言，若將采集到的幾組數(shù)據(jù)求平均值作為采樣結(jié)果，可避免在采集時因干擾而破壞了數(shù)據(jù)的真實性；如果存放在隨機內(nèi)存中的數(shù)據(jù)因干擾而丟失或者數(shù)據(jù)發(fā)生變化，可以在隨機內(nèi)存區(qū)設置檢驗標志；為了減少干擾對隨機內(nèi)存區(qū)的破壞，可在隨機存儲器芯片的寫信號線上加觸發(fā)裝置，只有在CPU寫數(shù)據(jù)時才發(fā)。軟件抗干擾的措施也很多，如數(shù)字濾波程序、抗窄脈沖的延時程序、邏輯狀態(tài)的真?zhèn)闻袆e等。有時候，必須采用軟件和硬件相結(jié)合的辦法才能抑制干擾，常用的辦法是設置一個定時器，從而保護程序正常運行。

——近年來，電子儀器向著“輕、薄、短、小”和多功能、高性能及成本低方向發(fā)展。塑料機箱、塑料部件或面板廣泛地應用于電子儀器上，于是外界電磁波很容易穿透外殼或面板，對儀器的正常工作產(chǎn)生有害的干擾，而儀器所產(chǎn)生的電磁波，也非常容易輻射到周圍空間，影響其它電子儀器的正常工作。為了使這種電子儀器能滿足電磁兼容性要求，人們在實踐中，研究出塑料金屬化處理的工藝方法，如濺射鍍鋅、真空鍍（AL）、電鍍或化學鍍銅、粘貼金屬箔（Cu或AL）和涂覆導電涂料等。經(jīng)過金屬化處理之后，使完全絕緣的塑料表面或塑料本身（導電塑料）具有金屬那樣反射（如手機）。吸收、傳導和衰減電磁波的特性，從而起到屏蔽電磁波干擾的作用。實際應用中，采用導電涂料作屏蔽涂層，性能優(yōu)良而且價格適宜。在需要屏蔽的地方，做成一個封閉的導電殼體并接地，把內(nèi)外兩種不同的電磁波隔離開。實踐表明，若屏蔽材料能達到（30～40）dB以上衰減量的屏蔽效果時，就是實用、可行的。

——由于電子技術(shù)應用廣泛，而且各種干擾設備的輻射很復雜，要完全消除電磁干擾是不可能的。但是，根據(jù)電磁兼容性原理，可以采取許多技術(shù)措施減小電磁干擾，使電磁干擾控制到一定范圍內(nèi)，從而保證系統(tǒng)或設備的兼容性，例如，通信系統(tǒng)最初設計時，就應該嚴格進行現(xiàn)場電波測試，有針對性地選擇頻率及極化方式，避開雷達、移動通信等雜波干擾；高壓線選擇路徑時，應盡量繞開無線電臺（站）或充分利用接收地段的地形、地物屏蔽；接收設備與工業(yè)干擾源設備適當配置，使接收設備與各種工業(yè)干擾源離開一定距離；在微波通信電路設計中，為了減少干擾，可采用天線高低站方式調(diào)整微波電路反射點，并利用山頭阻擋反射波，使之不能對直射波形成干擾。另外，微波鐵塔是獨立的高大建筑物，應采用完善的接地、屏蔽等避雷措施。

7 結(jié)束語

——保證設備的電磁兼容性是一項復雜的技術(shù)任務，對于這個問題不存在萬能的解決方法。電磁兼容技術(shù)涉及面很廣，電磁兼容性領域也正在發(fā)展，重要的是掌握有關(guān)電磁兼容的基本原理，認真分析和試驗，就能選擇合適的解決問題方法。