对电磁干扰源的设计方法 干扰源, 电磁, 设计

pippo1889

电磁干扰源的种类相当多，比如，自然的电磁干扰源包括：地球表面的最大磁场强度为52A/m，平均电场强度为130v/m，雷电的大气干扰，静电的电晕放电和宇宙噪声等等。人为的电磁干扰源包括：含有整流子的直流电机换向时火花的电弧和电流变化，电器开关动作时产生的电弧和电流变化，非线性元器件工作时产生的谐波，高频振荡器和无线电发送设备的电磁辐射，汽车点火系统，医疗用的超声波发生器，生活用的微波炉以及电磁脉冲等等。可以说电磁干扰源无处不在，下面仅谈论与我们相关的主要电磁干扰源。

——供电电源

供电电源，常由于负载的通断过渡过程，半导体元件的非线性，脉冲设备及雷电的耦合等因素，而成为电磁干扰源。

供电电源电磁兼容的设计方法为：

[1]采用交流电源滤波器

由于交流电源滤波器是低通滤波器，不妨碍工频电能的通过，而对高频电磁干扰呈高阻状态，有较强的抑制能力。使用交流电源滤波器时，应根据其两端阻抗和要求的插入衰减系数选择滤波器的型式。要注意其承受电压和导通电流的能力，屏蔽与机壳要电气接触良好，地线要尽量短，截面足够大，进出线要远离，而且滤波器应尽量靠近供电电源。

[2]采用电源变压器加静电屏蔽

由于电源变压器初、次级间存在分布电容，进入电源变压器初级的高频干扰能通过分布电容耦合到电源变压器的次级。在电源变压器的初次级间增加静电屏蔽后，该屏蔽与绕组间形成新的分布电容。将屏蔽接地，可以将高频干扰通过这一新的分布电容引入地，从而起到抗电磁干扰的作用。静电屏蔽应选择导电性好的材料，且首尾端不可闭合，以免造成短路。

[3]脉冲电压的吸收

对脉冲电压的电磁干扰可以采用压敏电阻、固体放电管或瞬态电压抑制二极管来吸收。当脉冲电压吸收器件承受一个高能量的瞬态电压脉冲时，其工作阻抗能立即降到很低，允许通过很大的电流，吸收很大的功率，从而将电压钳制在允许的范围内。

压敏电阻或固态放电管可应用于直流或交流电路。单向瞬态电压抑制二极管应用于直流电路，而双向瞬态电压抑制二极管应用于交流电路。使用脉冲电压吸收器件时，应选择其额定电压略高于设备的最大工作电压，以保证无脉冲电压时，吸收器件的功耗最小，当有脉冲电压时，其钳位的电压应低于设备的最高绝缘电压，以保证设备的安全。其通流能力应大于脉冲电压所产生的电流。

[4]直流电源的电磁兼容措施

——整流电路的高频滤波 即在整流管上并联小电容（0.01uF）进一步滤掉从变压器进入的高频干扰。

——直流退耦 即在直流电源和地之间并联2个电容，大电容（10uF—100uF）滤掉低频干扰，小电容（0.01—0.22uF）滤掉高频干扰。

[5]电源的其它电磁兼容措施

——控制电路和功率电路采用分相供电或采用不同的电源供电。
——采用UPS（不间断电源）供电。
——采用电源电压监视集成电路

——暂态过程

暂态过程是由于电路机械触点的分合，负载的通断和电路的快速切换导致电路电压或电流发生快速变化，而成为电磁干扰源。

暂态过程的电磁兼容设计方法为

[1]电路机械触点的熄火花电路

电路机械触点的熄火花电路由电阻（R）和电容（C）串联组成。其原理是用电容转换触点分断时负载电感（L）上的能量，从而避免在触点上产生过电压和电弧造成的电磁干扰，最终有电阻吸收这部分能量。

电路参数计算如下：

R>2(L/C)1/2（Ω）(1)
C1=4L/R2 （uF）(2)
C2=（Im/300）2L（uF）(3)

式中：R为电阻（Ω）;
L为负载电感（uH）;
Im为负载电感中的最大电流（A）;
C取C1、C2、中最大者。

[2]电感负载的续流电路和吸收电路

直流电路电感负载的续流电路是用二极管反并联在电感负载上。当切断电感负载时，其上的电流经二极管续流，不会产生过电压而危及电路上的其它器件。
参数：

IF>2IN (4)
VRRM>2VN(5)

式中：IF为二极管正向平均电流;
VRRM二极管反向重复峰值电压;
IN为电感负载的额定电流;
VN为电感负载的额定电压。

如果用压敏电阻代替二极管，其效果会更好。因为压敏电阻吸收能量快，从而减小了动作响应时间。另外，压敏电阻还可以应用在交流电路电感负载的场合。应用压敏电阻时应注意以下几项：


——压敏电阻的标称电压;
——压敏电阻的压比;
——压敏电阻的吸收能量的能力;
——压敏电阻的前沿响应时间;
——压敏电阻应当尽量紧靠电感使用;

[3]电容负载的限流电路

电容负载的限流电路由电阻（R）和开关并联组成。其原理是用电阻限制电容负载开始投入时的短路电流，从而避免短路电流造成的电磁干扰。经过时间（t）将开关闭合，切除限流电阻。
参数选择如下：

R>2VN/I(6)
t >3RC (7)

式中：IN为负载的额定电流。
VN为电源的额定电压。
C为负载的电容。

[4]电路快速切换的电磁兼容措施

电路快速切换（包括晶闸管换流、直流斩波、二极管关断时的电荷存储效应等）将导致电压或电流的快速变化，而成为电磁干扰源。
对此可采用如下电磁兼容措施
——串联缓冲电感，以降低电流变化率。
——用电感电容谐振电路代替直流斩波，以降低电流变化率或电压变化率。


——电磁辐射

电磁辐射包括电子设备内部和外部两种电磁辐射源。其实任一电流的周围都存在磁场，而变化的磁场会产生变化的电场，这种电磁场就是电磁干扰源。

电子设备中主要的电磁辐射源是大电流，高电压的强功率电路和器件，电压或电流快速变化的电路和器件以及高频电路和器件。

对电磁辐射的电磁兼容设计是，采用电磁屏蔽方法，即用屏蔽材料将电磁辐射源封闭起来，使其外部电磁场强低于允许值。

电磁屏蔽的技术原理主要有两种：
是一反射，由于空气和金属屏蔽的电磁阻抗不同，使入射电磁电波产生反射作用。磁场中的反射损耗R（dB），对磁场源而言

R=20log10{[0.012(μτ/fδτ)1/2/D]+5.364D(fδτ/μτ)1/2+0.354}(8)

式中：μτ为相对磁导率
δτ为相对电导率
f为电磁波频率
D为辐射源到屏蔽体的距离(m)

对电场而言

R=322+10log10(δτ/μτf3D2)(9)

二是吸收，进入金属屏蔽内的电磁波在金属屏蔽内传播时，由于衰减而产生吸收作用。吸收损耗A(dB)为：
A=0.131d(μτfδτ)1/2(10)

式中：d为屏蔽材料厚度(mm)。

[1] 磁场屏蔽 一般采用磁导率高的材料作屏蔽体，它给低频磁通提供一个闭合回路，并使其限制在屏蔽体内。屏蔽体的磁导率越高，厚度越大，磁阻越小，磁场屏蔽的效果越好。当然屏蔽的设计要与设备的重量相协调。在杂散耦合可能引起有害作用的电路中，应选用带有屏蔽的电感器和继电器，并将屏蔽有效地接地。

[2] 磁场屏蔽 一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地。使电力线在此终止，因而电场不会泄漏到屏蔽体外部。电场屏蔽以反射为主，因此屏蔽体的厚度不宜过大，而以结构强度为主要考虑因素。

应当特别注意电磁屏蔽的完整性，特别是电磁场屏蔽，因为它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而消除高频磁场干扰的。如果屏蔽体不完整，则涡流的效果降低，导致电磁场泄漏，屏蔽效果将大打折扣。

——雷电

雷电是带电云对地或带电云之间的放电现象。带电云对地放电为直接雷击，而非直接雷击时设备所受到的干扰为感应雷击。由于雷电具有非常大的能量和非常短的持续时间，因此雷电是非常强的干扰源。

雷电的电磁兼容设计方法是
[1] 对直接雷击采用的设计方法 采用闪接器、避雷引线和避雷接地组成的避雷系统。将直接雷击的能量引入大地，以保护电子设备。

[2] 对感应雷击采用的设计方法 采用气体避雷管、压敏电阻、电压瞬变吸收二极管或固体放电管。利用其非线性特性，对感应雷击的高电压尖峰削波和能量吸收，以保护电子设备。

——静电

当不同介质的材料相互摩擦时，会产生电荷转移而产生静电。当然静电也可能以其它方式产生，比如受到其它带电体的感应。静电场强的高低取决于材料所携带的电荷量多少和对地电容的大小。当这种材料对电子设备的场强超过绝缘介质的击穿强度时，会发生电晕放电或火花放电，形成静电干扰，可能导致电力设备损坏。

防静电的电磁兼容设计方法是

——防止静电的产生，例如阻止静电荷的积累、泄放积累的电荷，采用防静电地板和静电消除器等等。
——采用静电屏蔽和接地措施，将静电产生的电荷引走。
——采用静电保护措施，例如增加串联电阻以降低静电放电电流，增加并联元件以把静电放电电流引走，对静电作用下易损坏器件的操作防护和软件的静电防护等等。

——无线电发射源

无线电发射机的频率范围为103—1012Hz。
无线电发射机的有效辐射功率（ERB）很高。例如军用雷达10GW，气象雷达1GW，船用雷达100MW，电视广播50MW，商用电台300kW，广播电台100kW，业余通讯1kW，车用通讯100W。

因此无线电发射源对电子设备是一很强的干扰源。

对无线电发射源的电磁兼容的设计方法是
——严格控制无线电发射的方位角，以减小无线电发射源干扰的空间范围。
——采用完整的电磁屏蔽和可靠的接地措施，以减小无线电发射源的泄漏干扰。