電磁兼容的概念及設計方法

5.2 對電磁干擾可能傳播的路徑的設計方法

5.2.1 電路性耦合

當兩個電路存在公共阻抗時，一個電路的電參數通過公共阻抗對另一個電路的電參數產生了影響。而這種影響造成誤動作時，即為通過電路性耦合的路徑產生的電磁干擾。公共阻抗主要有共回路導線、共地阻抗和共電源內阻。

電路性耦合的電磁兼容設計方法是

1）對共電源內阻產生的電磁干擾，可以用不同的電源分別供電的方法，以去除共電源內阻產生的電路性耦合。

2）對共回路導線產生的電磁干擾，可以用對導線阻抗加以限制或去耦的方法，以減低共回路導線產生的電路性耦合。共回路導線的阻抗包括電阻和電感。

——限制電阻的方法增大共回路導線的截面、減小共回路導線的長度和降低接觸電阻；

——限制電感的方法減小共回路導線的長度和來回線的距離；

——電路去耦的方法去掉共回路導線，而將不同的回路僅在一點連接。

3）對共地阻抗產生的電磁干擾，可以用降低共地阻抗的方法，以去除共地阻抗產生的電路性耦合。

——接地的種類和作用

電子設備一般有兩種接地。一種是安全接地，即將機殼接地，當機殼帶電時，電源的保護動作，切斷電源，以保護工作人員的安全；另一種是工作接地，給電路系統提供一個基準電位，同時也可將高頻干擾引走。但是，不正確的工作接地反而會增加干擾，比如共地線干擾，地環路干擾等等。

工作接地按工作頻率采用不同的接地方式。工作頻率低的（小于1MHz）采用單點接地式，即把整個電路系統中的一個結構點看作接地參考點，所有對地連接都接到這一點上，并設置一個安全接地螺栓；工作頻率高的（大于30MHz）采用多點接地式，即在該電路系統里，用一塊接地平板代替電路中每部分各自的地回路。其主要原因是接地引線的感抗與頻率和長度成正比，工作頻率高時將增加共地阻抗，從而將增大共地阻抗產生的電磁干擾。工作頻率在上述兩者之間的可采用混合接地式。

此外，還有一種浮地式，即該電路的地與大地無導體連接。其優點是該電路不受大地電性能的影響。其缺點是該電路易受寄生電容的影響，而使該電路的地電位變動和增加了對模擬電路的感應干擾。

——對接地電阻的要求

接地電阻越小越好。因為當有電流流過接地電阻時，其上產生的電壓，將產生共地阻抗的電磁干擾。另外，該電壓不僅使設備受到反擊過電壓的影響，而且使操作人員受到電擊傷害的威脅。因此，一般要求接地電阻小于4Ω。

接地電阻由接地線電阻、接觸電阻和地電阻組成。為此降低接地電阻的方法有以下三種：

一是降低接地線電阻，為此要用總截面大和長度小的多股細導線。

二是降低接觸電阻，為此要將接地線與接地螺栓和接地極作緊密又牢靠地連接，并要增加接地極和土壤之間的面積與接觸的緊密度。

三是降低地電阻，為此要增加接地極的表面積和增加土壤的電導率（如在土壤中注入鹽水）。

——低頻電路地

工作頻率低于1MHz的一個電路采用單點接地式，以防兩點接地產生共地阻抗的電路性耦合。多個電路的單點接地式又分為串聯和并聯兩種，由于串聯接地產生共地阻抗的電路性耦合，所以低頻電路最好采用并聯的單點接地式。

為防止工頻和其它雜散電流在信號地線上產生干擾，信號地線應與功率地線和機殼地線相絕緣。且只在功率地、機殼地和接往大地的接地線的安全接地螺栓上相連（浮地式除外）。

地線的長度（L/m）與截面積（S/mm2）的關系為

S>0.83L （11）

——高頻電路地

工作頻率高于30MHz的電路采用多點接地式。因為接地引線感抗與頻率和長度成正比，所以地線的長度要盡量短。多點接地時，盡量找最接近的低阻值接地面接地。

——混合接地式

工作頻率介于1～30MHz的電路采用混合接地式。當接地線的長度小于工作信號波長的1/20時，采用單點接地式，否則采用多點接地式。

——屏蔽地

電路的屏蔽體，即用屏蔽材料將電磁輻射源屏蔽起來，并將屏蔽體接地，以降低電磁輻射的干擾。屏蔽體內的電路地線只能一點接屏蔽體，而不得利用屏蔽體作返回導體。

——電纜的屏蔽層

對于多層屏蔽電纜，每個屏蔽層應在一點接地，各屏蔽層應相互絕緣。

當電纜長度大于工作信號波長的0.15倍時，采用間隔工作信號波長的0.15倍的多點接地式。如果不能實現，則至少應將屏蔽層兩端接地。

4）電位隔離

電位隔離分為機械、電磁、光電和浮地幾種隔離方式，其實質是人為地造成電的隔離，以阻止電路性耦合產生的電磁干擾。

——機械隔離采用繼電器來實現其線圈接收信號，機械觸點發送信號。機械觸點分斷時，由于阻抗很大、電容很小，從而阻止了電路性耦合產生的電磁干擾。缺點是線圈工作頻率低，不適合于工作頻率較高的場合使用。而且存在觸點通斷時的彈跳和干擾以及接觸電阻等。

——電磁隔離采用變壓器來實現通過變壓器傳遞電信號，阻止了電路性耦合產生的電磁干擾。對于交流的場合使用較為方便，由于變壓器繞組間分布電容較大，所以使用時應當與屏蔽和接地相配合。

——光電隔離采用光電耦合器來實現通過半導體發光二極管（LED）的光發射和光敏半導體（光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等）的光接收，來實現信號的傳遞。光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器輸入端的干擾電壓較小，而且一般干擾源的內阻較大，它所能提供的電流并不大，因此不能使發光二極管發光。光電耦合器的外殼是密封的，它不受外部光的影響。光電耦合器的隔離電阻很大（約1012Ω），隔離電容很小（約數pF）能阻止電路性耦合產生的電磁干擾。只是光電耦合器的隔離阻抗隨著頻率的提高而降低，抗干擾效果也將降低。

——浮地浮地可使功率地（強電地）和信號地（弱電地）之間的隔離電阻很大，所以能阻止共地阻抗電路性耦合產生的電磁干擾。

5.2.2 電容性耦合

任何兩個導體之間都存在著電容。電容值與介質的介電常數ε和兩個導體的有效面積成正比、與兩個導體之間的距離D成反比。當兩個平行圓導體直徑為d時，其電容C為

C=πε/ln(D/d) （12）

當一個導體對地具有電位U1，阻抗Z1，另一個導體對地具有阻抗Z2，兩個導體具有相同地電位，通過兩個導體之間的電容，在另一個導體上將產生干擾電壓U2為

U2=U1Z2/（Z1＋Z2＋1/jωC） （13）

當阻抗Z1和阻抗Z2中含有電感分量時，產生的干擾電壓U2有可能大于導體1對地的電位U1。

電容性耦合的等值電路圖見圖1。

圖 1 電 容 性 耦 合 的 等 值 電 路 圖

在上述分析中，兩導線間的有效耦合長度應遠小于信號波長（一般為1/10）時，才允許使用集中參數的等效電路來分析線間耦合，否則必須應用電磁場理論的傳輸方程來分析線間耦合。

電容性耦合的電磁兼容設計方法是

1）盡可能減小干擾源U1的幅值和干擾源的變化速度ω。

2）Z1和Z2設計得盡可能大，且Z1遠大于Z2。

3）耦合電容設計得盡可能小

——盡量加大兩個導體間的距離；

——盡量縮短兩個導體的長度；

——盡量避免兩個導體平行走線。

4）屏蔽

屏蔽的目的切斷干擾源和被干擾對象之間的電力線，以免除電容性耦合的電磁干擾。

屏蔽的方法采用與干擾源基準電位相連的屏蔽；采用與被干擾對象基準電位相連的屏蔽；或者上述兩者都用，其效果更好。

屏蔽的注意事項

——要有完整的屏蔽，否則屏蔽的效果降低；

——要用導電性能好的材料作屏蔽，否則屏蔽的效果降低；

——要有良好的屏蔽接地，否則屏蔽的效果降低。當導線的長度小于工作信號波長的1/20時，采用單點接地式，否則采用多點接地式。接地線的長度要盡量短。

5）平衡

平衡的目的當干擾源和被干擾對象的基準電位是互相獨立時，可以采用平衡的方法，即使干擾源和被干擾對象的耦合電容平衡，以免除電容性耦合的電磁干擾。

平衡的方法

——干擾源和被干擾對象均采用絞合導線；

——采用四芯導線，使干擾源和被干擾對象的導線交叉對稱。

5.2.3 電感性耦合

任何兩個回路之間都存在著互感。互感值與介質的磁導率μ成正比，并與兩個回路的幾何尺寸有關。兩個回路的布局如圖2所示。

圖2 兩 個 回 路 的 布 局 圖

圖中1～1為第一個回路，2～2為第二個回路，a、b、c、d為回路的間距。另外設l為回路的長度。

兩個回路的互感M為

M=μlln（ac/bd）/2π （14）

當第一個回路具有電流i1，通過兩個回路之間的互感M，在第二個回路上產生的干擾電壓u2為

u2=Mdi1/dt （15）

電感性耦合的電磁兼容設計方法是

1）盡可能減小干擾源電流i1的變化速度。

2）盡可能設計得使兩個回路的互感M小，為此

——盡量加大兩個回路間的距離；

——盡量縮短兩個回路的長度；

——盡量避免兩個回路平行走線；

——盡量縮小兩個回路的面積，并減低重合度。

3）屏蔽

屏蔽的目的切斷干擾源和被干擾對象之間的磁力線，以免除電感性耦合的電磁干擾。

屏蔽的方法采用鐵磁性導體的靜態磁屏蔽，采用良導體感應渦流的動態磁屏蔽。