周彩霞，易江義

(長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410124)

信息與科技的發(fā)展使得電子設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，設(shè)備在工作的同時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生一些有用或無(wú)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(lái)越趨于極微弱的信號(hào)下工作，信號(hào)工作頻率越來(lái)越高，動(dòng)作時(shí)間越來(lái)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(hào)增強(qiáng)[1]。如果不采取有效的防護(hù)措施，EMI危害的后果將越來(lái)越嚴(yán)重，不僅影響電子設(shè)備的正常工作，使其運(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備的EMI防護(hù)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(gè)熱點(diǎn)。文章主要是依據(jù)干擾耦合的機(jī)理，由干擾耦合的傳播途徑入手，來(lái)討論EMI的防護(hù)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(jì)方法——分層綜合設(shè)計(jì)法。

1 EMI耦合機(jī)理

EMI要對(duì)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(gè)：傳導(dǎo)耦合與輻射耦合。傳導(dǎo)耦合是通過(guò)公共阻抗、電容與電感等多種導(dǎo)電媒質(zhì)將一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的干擾耦合到另一個(gè)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(chǎng)的空間輻射引起的，屬頻率較高部分的耦合。對(duì)于不同耦合方式引入的EMI可根據(jù)其耦合機(jī)理不同而采用不同的防護(hù)措施。

2 傳導(dǎo)EMI的防護(hù)

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(jì)和選用濾波器時(shí)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(shí),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(duì)EMI起到良好的濾波效果。

在抗EMI 設(shè)計(jì)中，EMI濾波器通常分為電源線濾波器和信號(hào)線濾波器兩類(lèi)。兩者除了對(duì)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(dòng)和高次諧波帶來(lái)的不利影響保證滿(mǎn)足安全方面的要求外，還要注意當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，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(hào)線濾波器除了抑制并衰減干擾信號(hào)以提取有用信號(hào)外，還要考慮不能對(duì)工作信號(hào)有嚴(yán)重的影響，不能造成信號(hào)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(lèi)，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(biāo)準(zhǔn)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(wú)源低通網(wǎng)絡(luò)，采用兩個(gè)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(fù)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(duì)獨(dú)立端口低通濾波器，用來(lái)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(dú)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(dú)立端口低通濾波器，起到對(duì)差模信號(hào)的抑制作用。為了更有效抑制差模EMI，設(shè)計(jì)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(shí)迅速釋放存儲(chǔ)在CX中的電荷，以免電擊傷人。

電源濾波器是雙向無(wú)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(hào)傳入設(shè)備，又能大大衰減設(shè)備本身工作時(shí)產(chǎn)生的EMI 信號(hào)傳向電網(wǎng)。

2.2 信號(hào)線濾波

信號(hào)線濾波器安裝在信號(hào)線上，通過(guò)選擇性地阻攔或分流有害騷擾信號(hào)來(lái)發(fā)揮作用。信號(hào)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(hào)可采用軟硬件相結(jié)合的智能處理方法，對(duì)硬件濾波后依然存在的干擾諧波成分，使用軟件濾波 器進(jìn)一步抑制與隔離EMI噪聲。

硬件濾波時(shí)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(guò)吸收不需要頻率成分的能量，使之轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)達(dá)到抑制EMI的目的。為了達(dá)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(diǎn)一般來(lái)說(shuō)會(huì)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(mǎn)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(duì)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(guò)將不需要頻率成分的能量反射回信號(hào)源來(lái)達(dá)到抑制EMI的目的。由于反射式濾波器容易在高頻率時(shí)受到電感、電容的參數(shù)影響，有可能會(huì)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(duì)較低的干擾。不過(guò)因?yàn)槠錇V波效果可以通過(guò)調(diào)整電感電容值參數(shù)來(lái)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(lái)組合使用，可達(dá)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(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行特殊計(jì)算以達(dá)到濾除或抑制干擾信號(hào)的目的。軟件濾波分FIR和IIR兩種。FIR 濾波器的極點(diǎn)全部在原點(diǎn)，濾波性能永遠(yuǎn)穩(wěn)定，有嚴(yán)格的線性相位，且可以運(yùn)用快速傅立葉變換(FFT)算法來(lái)提高運(yùn)輸效率，因此實(shí)際應(yīng)用中多采用FIR 濾波。

3 輻射EMI的防護(hù)

屏蔽是抑制輻射干擾最有效的方法，其目的有兩個(gè)：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(lái)EMI進(jìn)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(chǎng)屏蔽的導(dǎo)體需要良好接地才能有效，否則，屏蔽電場(chǎng)的導(dǎo)體不但起不到屏蔽作用，反而對(duì)電場(chǎng)輻射干擾起到接力賽的效果，電場(chǎng)會(huì)通過(guò)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(chǎng)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(jiǎn)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(dá)到屏蔽的目的。電屏蔽體的形狀最好設(shè)計(jì)為盒形，再加上恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來(lái)進(jìn)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(chǎng)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(duì)于恒定磁場(chǎng)和低頻(低于 100kHZ)磁場(chǎng)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(duì)干擾磁場(chǎng)進(jìn)行分路。磁場(chǎng)有磁力線，磁力線通過(guò)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(chǎng)中時(shí)， 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(guò)鐵磁材料，而通過(guò)空氣的磁通將大為減小，從而起到磁場(chǎng)屏蔽作用。高頻磁場(chǎng)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(duì)磁感應(yīng)干擾進(jìn)行屏蔽，利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象磁力線穿過(guò)導(dǎo)體表面的時(shí)候產(chǎn)生渦流，渦流又會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，新生磁場(chǎng)的方向正好與干擾磁場(chǎng)方向相反互相抵消，達(dá)到抑制外磁場(chǎng)的目的。磁屏蔽要利用屏蔽體對(duì)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(chǎng)和恒定磁場(chǎng)外，電場(chǎng)和磁場(chǎng)總是同時(shí)出現(xiàn)的。 電磁場(chǎng)屏蔽就是對(duì)高頻交變電磁場(chǎng)的屏蔽。從上面電場(chǎng)屏蔽和高頻磁場(chǎng)屏蔽的討論中可以看出，只要將高頻磁場(chǎng)的屏蔽物良好地接地，就能同時(shí)達(dá)到電場(chǎng)屏蔽的要求，即達(dá)到電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)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(duì)干擾電磁波的反射、吸收和多次反射作用，衰減干擾電磁場(chǎng)的能量，達(dá)到屏蔽效果。

在屏蔽要求較高時(shí)，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(hào)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(jì)法

事實(shí)上，無(wú)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(dá)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(shí)存在才能達(dá)到平衡，共同構(gòu)成完善的EMI防護(hù)，來(lái)滿(mǎn)足設(shè)備的傳導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)要求以及輻射要求[3]。

要從根本上解決EMI問(wèn)題，就應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初的方案論證階段，將EMC指標(biāo)逐級(jí)分配到各功能模塊上，細(xì)化成系統(tǒng)級(jí)、設(shè)備級(jí)、PCB級(jí)和元件級(jí)的指標(biāo)，然后按照要實(shí)現(xiàn)的功能分層依次進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。采用綜合法會(huì)降低對(duì)濾波與屏蔽的要求，解決EMI問(wèn)題就會(huì)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(jì)時(shí)：第1層為有源器件的選型和PCB設(shè)計(jì)；第2層為接地設(shè)計(jì)；第3層為屏蔽設(shè)計(jì)；第4層為濾波設(shè)計(jì)和瞬態(tài)騷擾抑制設(shè)計(jì)。對(duì)每一層設(shè)計(jì)時(shí)都要進(jìn)行濾波、屏蔽和接地的綜合設(shè)計(jì)及軟件抗干擾設(shè)計(jì)。

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之初就預(yù)測(cè)和分析EMC性，并在制造、組裝和實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中不斷進(jìn)行[4]。采用良好的電路設(shè)計(jì)技術(shù)及正確選擇各類(lèi)有源與無(wú)源元器件[5]，以最佳性?xún)r(jià)比來(lái)滿(mǎn)足抗EMI需求，這樣問(wèn)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(yǔ)

對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行EMI抑制與防護(hù)時(shí)，應(yīng)從全局出發(fā)，采用分層綜合設(shè)計(jì)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(lái)完成與實(shí)施對(duì)設(shè)備EMI的防護(hù)。

[1] 崔泓.淺談電磁干擾問(wèn)題[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化，2009，(S1).

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

[3] 馬永健.EMC設(shè)計(jì)工程實(shí)務(wù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[4] 何宏.電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)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(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，27(3).