產品的電磁兼容性設計（連載）

第一講產品騷擾的抑制方法

造成設備性能降級或失效的電磁干擾必須具備三個要素，即有一個電磁騷擾源；有一臺對干擾敏感的設備；及有一條電磁干擾的傳播途徑。為解決設備的電磁兼容問題，無論從抑制騷擾源逸出，或切斷電磁干擾的傳播通路，或提高設備自身的抗干擾能力，都能取得滿意效果。為此，本講座擬從三個不同側面討論提高設備電磁兼容的措施，包括產品騷擾的抑制方法；提高產品抗擾度的方法；產品內部的電磁兼容性設計要點。

　　首先討論產品騷擾的抑制方法。

　　產品騷擾的抑制有三種基本方法，即接地、屏蔽和濾波。每種方法在電路與系統的設計中各有獨特作用，但在使用上又是相互關連。如良好的接地可降低設備對屏蔽和濾波的要求；而良好的屏蔽也能降低對濾波的要求。

1接地

　　“接地”有設備內部的信號接地和設備接大地，兩者概念不同，目的也不同。

1.1設備的信號接地

　　設備的信號接地，可能是以設備中的某一點或一塊金屬薄板來作為信號的接地參考點，它為設備中的所有信號提供了一個公共參考電位。

　　實用中有三種基本的信號接地方式，即浮地、單點接地和多點接地。

　　（1）浮地

　　采用浮地的目的是將電路或設備與公共接地系統，或可能引起環流的公共導線隔離開來。浮地還可以使不同電位間的電路配合變得容易。

　　實現電路或設備浮地的方法有變壓器隔離和光電隔離。

　　浮地的最大優點是抗干擾性能好。

　　浮地的缺點是由于設備不與公共地相連，容易在兩者間造成靜電積累，當電荷積累到一定程度后，在設備地與公共地之間的電位差可能引起劇烈的靜電放電，而成為破壞性很強的騷擾源。

　　一個折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個阻值很大的泄放電阻，用以釋放所積聚的電荷。注意控制泄放電阻的阻抗，太低的電阻值會影響設備泄漏電流的合格性。

　　（2）單點接地

　　單點接地是指在一個電路或設備中只有一個物理點被定義為接地參考點，電路或設備中凡需要接地的點都被接至這一點。

　　對一個系統，如采用單點接地，則系統中的每個設備都有自己的單點接地點，然后各設備的“地”再與系統中唯一指定的參考接地點相連。

　　單點接地的缺點是當系統工作頻率很高時，以致信號的波長可與接地線長度相比擬時（如達到1/4波長），接地線就不能作為一根普通連接線考慮，它會呈現某種電抗效應，使接地效果不理想，此時必須引進多點接地概念。

　　（3）多點接地

　　多點接地指設備中凡需要接地的點都直接接到距它最近的接地平面上，以便使接地線最短。這里說的接地平面可以是設備的底板、專用接地母線，甚至是設備的框架。

　　多點接地的優點是簡單，凡需要接地的點都可以就近接地，從而使接地線上出現高波駐波的現象大為減少。故多點接地在高頻下使用有上佳表現。

　　多點接地對接地點的維護要求較高，任何一些因銹蝕或松動等原因，均可造成接地效果變差，使設備工作不可靠。

圖1.1干擾源的電位梯度

圖1.2金屬板屏蔽

圖1.3磁場屏蔽

　　（4）混合接地

　　單點和多點接地的各自優缺點，促使人們想到了混合接地。只將需要就近接地的點，就近直接與接地平面相連（或對需要高頻接地的點，通過旁路電容與接地平面相連），其余各點均采用單點接地。

　　單點接地與多點接地的分界常以流通信號波長λ的0.05倍為界，凡單點接地線長度達到0.05λ以上時，就應當用多點接地。

　　（5）信號接地線的處理

　　信號接地是在指定的兩個點（其中有一個被稱為“地”的參考點）間建立導電通路，以便實現電路與機殼，或電路與指定接地板之間的連接。最關鍵的是要強調連接良好，建立低阻抗的通路，這對射頻電流在接地回路中的流動特別重要。

1.2設備的接大地

　　（1）設備的接大地

　　實用中，除認真考慮設備內部的信號接地外，通常還要將設備的信號地、機殼與大地連在一起，并以大地作為設備的接地參考點。設備接大地的目的有三個：

　　①設備的安全接地，保證了對設備的操作人員實現安全保護。

　　②泄放機箱上所積聚的電荷，避免因電荷積聚使機箱電位升高，造成電路工作的不穩定。

　　③避免設備在外界電磁環境的作用下使設備對大地的電位發生變化，造成設備工作的不穩定。

　　由此可見，設備接大地除了對人員安全、設備安全的考慮外，也是抑制干擾發生的重要手段。實用中，如能將接地與屏蔽、濾波等技術配合使用，將會對提高設備的電磁兼容性起到事半功倍的作用。

　　（2）接大地的方法與接地電阻

　　接大地有效性的重要指標是接地電阻。接地電阻除與接地電極的制作方式有關外，也和大地自身的性質有關。

　　人們習慣把地下金屬管道作為接地電極，由于它與大地有較大的接觸面積，可取得較小的接地電阻。但做法不規范，流入管道的故障電流和雜散電流容易對管道檢修人員造成傷害。此外，任何非金屬的管道構件都能使接地的有效性受到破壞。

　　正確的接大地方法是用直徑1cm～2cm的銅棒（長2m～4m）打入地下，深度在2m以上。一根銅棒的接地電阻在25Ω左右，這對一些小功率電氣設備已足夠用。若要更小的接地電阻，可增加銅棒附近地域的鹽份和水份，必要時還可將幾根銅棒互連成網。在權衡設備投資及防雷、防電源故障和防電磁脈沖的要求后，接地電阻以10Ω為設計目標是合理的。

2屏蔽

　　屏蔽能有效抑制通過空間傳播的電磁干擾。采用屏蔽的目的有兩個：一是限制設備內部的輻射電磁能越出某一區域；二是防止外部的輻射電磁能進入某一區域。

　　按屏蔽所起的作用分，有電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽三種。

2.1電場屏蔽

　　設備中電位不同物體間（包括導線間）的相互感應可看成是分布電容間的電壓分配（參見圖1.1）。圖1.1中，干擾源A與受感應物B之間的電壓關系為UB=　　為減弱A對B的感應，可采用的方法有：

　　（1）增大A、B間距離，以便減小分布電容C1。

　　（2）盡可能讓B貼近接地板，以增大B對地的電容C2。

　　（3）在A、B間插入金屬屏蔽板（參見圖1.2）。

　　屏蔽板的作用是：

　　①屏蔽板的存在，增大了A、B之間的距離，結果使A、B間的分布電容C1′減小。

　　②當屏蔽板靠近被保護的B時，使B的對地電容C4增大。而C4的作用與地位與C2是相同的。

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　　在圖1.2中，對屏蔽板的厚度無特殊要求，但要求其為良導體，強度要足夠，且接地要良好。

2.2磁場屏蔽

　　磁場屏蔽通常是指對直流或低頻磁場的屏蔽，其效果比起對電場和電磁場的屏蔽要差得多。

　　磁場屏蔽的主要機理是利用屏蔽體的高導磁率、低磁阻特性對磁通所起的磁分路作用，使屏蔽體內部的磁場大大削弱（圖1.3）。

　　磁場屏蔽的設計要點是：

　　（1）選用高導磁率的材料，以減少屏蔽體的磁阻。

　　（2）增加屏蔽體的壁厚，同樣還是減少屏蔽體的磁阻。

　　（3）被屏蔽物要放在屏蔽體中心位置，盡可能不讓磁通經過被屏蔽物，避免降低屏蔽效果。

　　（4）注意屏蔽體的結構，凡縫隙、通風孔等應順著磁場方向分布，盡可能不阻斷磁通的通過。

　　（5）對強磁場可采用雙層屏蔽體結構。當要屏蔽外部強磁場時，要求外層屏蔽體選用不易磁飽和的材料，如硅鋼等；內層則用容易達到飽和的高導磁材料，如坡莫合金等。反之，屏蔽體的材料使用次序也顛倒過來。兩層屏蔽體在安裝時要注意彼此間的磁路絕緣。如屏蔽體無接地要求，可用絕緣材料作支撐。如要求接地，可用非鐵磁材料的金屬作支撐。從屏蔽體可兼有電、磁屏蔽功能出發，通常是要接地的。

2.3電磁場屏蔽

　　電磁場屏蔽的目的是要阻止電磁場在空間傳播。

　　與電場和磁場屏蔽的機理不同，電磁場屏蔽的機理是：

　　（1）屏蔽體金屬表面對電磁波的反射作用（就這一點來說，對屏蔽體的厚度無要求）。

　　（2）未被完全反射的電磁波在進入屏蔽體內部時，繼續向前傳播的過程中會被屏蔽體金屬所吸收。

　　（3）當部分未被吸收掉的電磁波透過金屬到達屏蔽體另一表層時，在金屬與空氣交界面上會再次形成反射，重返屏蔽體內部，結果在屏蔽體內部形成多次反射和吸收現象（當然最終還會有少量電磁波透過屏蔽體而進入被保護空間）。

　　因此，電磁屏蔽是基于金屬材料對電磁波的反射和吸收兩個作用來完成的。

3濾波

　　由于濾波的本身具有雙向作用（既可抑制從設備電源線引出的傳導騷擾，又可降低從電網引入的傳導干擾），因此，濾波部分的內容放在提高產品抗擾度方法中一起討論。