（陜西中天火箭技術(shù)股份有限公司，陜西 西安 710000）

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的快速發(fā)展，冶煉廠使用不同儀表設(shè)備，由此產(chǎn)生的電磁污染不容小覷。在高精度、高可靠性和高安全性要求的系統(tǒng)中，針對(duì)電磁干擾的防護(hù)措施不可忽略[1]。電磁干擾通過(guò)空間輻射和線纜傳導(dǎo)的路徑對(duì)自動(dòng)化設(shè)備中的電路和電子元器件實(shí)施干擾。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)其使用環(huán)境、功能穩(wěn)定性和系統(tǒng)匹配性，考慮設(shè)計(jì)電磁干擾防護(hù)和電磁兼容性能優(yōu)化措施。

1 電磁兼容與電磁干擾

電磁兼容性（EMC，Electromagnetic Compatibility）指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行且不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁騷擾的能力。冶煉企業(yè)使用的不同儀表設(shè)備、轉(zhuǎn)爐及連轉(zhuǎn)系統(tǒng)會(huì)大量使用變頻器，變頻器產(chǎn)生功率較大的諧波，由于功率較大，對(duì)設(shè)備的干擾性較強(qiáng)。電磁干擾（EMI，Electromagnetic Interference）是干擾電纜信號(hào)和系統(tǒng)穩(wěn)定性并降低信號(hào)完整性的電磁噪聲，分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種，通過(guò)線纜傳導(dǎo)和空間耦合的方式進(jìn)入電氣設(shè)備，從而影響設(shè)備正常工作[2]。根據(jù)干擾路徑，對(duì)干擾信號(hào)的防護(hù)可從結(jié)構(gòu)屏蔽、電路設(shè)計(jì)和PCB布局上著手。

2 電磁兼容設(shè)計(jì)方法

2.1 結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計(jì)

設(shè)備的殼體外形是對(duì)內(nèi)部系統(tǒng)的電磁保護(hù)層，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮電磁兼容，殼體采用屏蔽體的方法是一種電磁防護(hù)措施。屏蔽體的電連續(xù)性是影響結(jié)構(gòu)件屏蔽效能最主要的因素，因此，屏蔽體結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔、避免不必要的孔洞和縫隙。

孔洞和縫隙是影響屏蔽體結(jié)構(gòu)電連續(xù)性和表面阻抗的重要因素，它構(gòu)成了電磁波的傳播路徑。如圖1所示，屏蔽體的接合面使用凸臺(tái)和螺釘連接相結(jié)合的方法，可以有效避免電磁波從縫隙處進(jìn)入屏蔽體內(nèi)。同時(shí)對(duì)接觸面和螺釘孔采用導(dǎo)電氧化處理，使其在高頻信號(hào)下的阻抗盡量小，為搭接后的殼體提供良好的電連續(xù)性，其結(jié)構(gòu)搭接后的阻抗以不大于5mΩ為佳。

圖1 凸臺(tái)連接方式

對(duì)于一些輻射大或抗干擾能力差的單板或模塊，如電源板，可單獨(dú)安裝在屏蔽盒中，在低成本下減弱單板或模塊之間的相互干擾，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部模塊之間的電磁兼容。

產(chǎn)品內(nèi)部線纜應(yīng)盡量短，避免干擾信號(hào)的耦合和對(duì)外發(fā)射，同類信號(hào)以雙絞形式走線，與電路板保持10mm以上距離。

若產(chǎn)品外部有線纜連接，應(yīng)采用帶濾波功能的接插件，對(duì)線纜分電源、通訊和信號(hào)線，分別雙絞屏蔽，通過(guò)屏蔽材料保證屏蔽殼體、接插件殼體與線纜屏蔽層的電連續(xù)性。屏蔽材料可選用導(dǎo)電橡膠、金屬絲網(wǎng)、導(dǎo)電布、導(dǎo)電膠等。

為電磁干擾信號(hào)搭接可靠地，也是濾除干擾信號(hào)的重要手段?？稍谠O(shè)備的外殼設(shè)計(jì)至少一個(gè)專用的附加接地點(diǎn)，且接地點(diǎn)應(yīng)受到保護(hù)，避免影響導(dǎo)電性。將該接地線接至大地，為干擾信號(hào)提供可靠地平面。

2.2 電路電磁兼容設(shè)計(jì)

電磁波在低頻時(shí)主要通過(guò)導(dǎo)體傳遞，在高頻時(shí)既可在導(dǎo)體傳遞，也可在自由空間內(nèi)傳遞。電路中的容性和感性負(fù)載在不同頻率下的阻抗會(huì)發(fā)生變化。阻抗變化改變了電路的固有特性，為系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性帶來(lái)了系列影響，因此，在電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)在接口和關(guān)鍵電路處考慮濾波。

2.2.1 通信電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

對(duì)于通信電路，以RS422為例，如圖2所示，在接口處應(yīng)搭LC接濾波電路，再通往后級(jí)電路。信號(hào)線上的干擾具有共模（CM）和差模（DM）兩種電流分量，在一個(gè)濾波器中同時(shí)對(duì)兩種干擾進(jìn)行濾除較困難，可以通過(guò)外圍濾波電路著重濾除。對(duì)Rx+和Rx-各加入一個(gè)對(duì)地的濾波電容C1和C2，濾除信號(hào)線上的干擾，再將其接入一個(gè)共模電感L1，用于抑制電路上的共模干擾。Tx+和Tx-同理。

圖2 RS422濾波電路示意圖

2.2.2 電源電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

對(duì)于電源電路，DC/DC內(nèi)部二極管、電容和電感會(huì)引起噪聲干擾，同時(shí)外部干擾引起電源的抖動(dòng)可能會(huì)對(duì)模擬電路帶來(lái)偏差。對(duì)于高頻信號(hào)，常見(jiàn)的濾波電路有L型、T型和π型，這三種濾波電路都具有阻斷高頻信號(hào)的特征。對(duì)于從接口接入的信號(hào)，一般選取π型濾波電路，如圖3所示。

圖3 π型濾波電路

一般在濾波器的輸入端和輸出端設(shè)計(jì)兩級(jí)濾波電路，如圖4所示。C1、C2、C3、C6、C7形成第一級(jí)濾波電路，C6和C7為共模濾波電容，C1、C2、C3為差模濾波電容。接口端的雙向TVS管可抑制浪涌干擾信號(hào)，儲(chǔ)能電容可預(yù)防電源瞬斷、跌落和畸變。C4、C5、C8和C9組成第二級(jí)濾波電路，C8和C9為共模濾波電容，C4和C5為差模濾波電容。

圖4 電源接口電路

在此設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，還應(yīng)保證電源電磁兼容濾波器殼體與電子設(shè)備機(jī)殼地可靠接觸，具有良好的電連續(xù)性。同時(shí)，可在電源模塊的正端輸入和正端輸出間加入符合功率要求的電容，為干擾搭接最短回路。

3 PCB電磁兼容設(shè)計(jì)

對(duì)于電路的PCB布局，需考慮自我兼容性，避免數(shù)字電路和模擬電路之間的相互干擾，相鄰走線之間的空間耦合干擾，高頻器件向外空間輻射干擾等。主要方法可總結(jié)為PCB分層、布局和分地設(shè)計(jì)三個(gè)方面。

3.1 PCB分層設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際尺寸、實(shí)現(xiàn)功能和成本要求，對(duì)電路板的PCB布局分層設(shè)計(jì)。以4層板為例，如圖5所示，2個(gè)布線層，1個(gè)地平面層和1個(gè)電源層。圖中S層代表布線層，G層代表地平面層，P層代表電源層。S1（TOP層）代表布置主要元器件層。該設(shè)計(jì)方案在4層板分層設(shè)計(jì)中電磁兼容性能最優(yōu)。

圖5 四層板設(shè)計(jì)方案

該設(shè)計(jì)方案優(yōu)點(diǎn)為：

1)2個(gè)布線層，其層內(nèi)信號(hào)都有與之對(duì)應(yīng)的完整的平面參考層，保證信號(hào)有良好的低阻抗回流路徑；

2)電源平面P靠近地平面G，兩者之間的耦合電容，降低了平面間的阻抗，同時(shí)電源層與地平面間產(chǎn)生的寄生電容可為電源層提供很好的高頻去耦路徑。

3.2 PCB布局設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品電路板固定的情況下，若布局時(shí)器件分散，過(guò)長(zhǎng)的傳輸線會(huì)增加阻抗，降低抗噪能力。若布局時(shí)器件放置集中，過(guò)近的走線容易產(chǎn)生空間耦合干擾，同時(shí)影響散熱。因此，應(yīng)根據(jù)電路功能單元布局，同時(shí)考慮電磁兼容、散熱和接口等因素。設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)遵循以下原則：

1)按照電路信號(hào)的流程安排布局各功能電路單元，使信號(hào)流通保持方向一致，嚴(yán)格保證輸入輸出元件的距離。

2)盡量縮短高頻元器件間的連線，避免長(zhǎng)距離平行走線帶來(lái)的串?dāng)_，同時(shí)減小它們之間帶來(lái)的分布參數(shù)。

3)時(shí)鐘電路、高速信號(hào)電路、復(fù)位信號(hào)電路和敏感信號(hào)電路，保持間隔，遠(yuǎn)離板邊和接口連接器布局，盡量走內(nèi)層，防止相互耦合。

4)對(duì)濾波器的安裝應(yīng)按照信號(hào)流方向布局，盡量靠近接口，避免濾波器前后端的信號(hào)交叉走線，且濾波器、電感線圈下方投影區(qū)域不能有高速信號(hào)或敏感的控制信號(hào)走線。若無(wú)法避免在其下方走線，則一定考慮線圈的方向，使場(chǎng)強(qiáng)方向和線圈的平面平行，保證穿過(guò)線圈的磁力線最少。

5)濾波電路和器件盡量靠近所需濾波的電路和器件，避免空間耦合，影響濾波效能。

3.3 PCB分地設(shè)計(jì)

當(dāng)產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)中涉及信號(hào)隔離時(shí)，需要進(jìn)行分地處理。根據(jù)隔離需求對(duì)不同的信號(hào)分別設(shè)置地線，如模擬地、數(shù)字地、通訊地、保護(hù)地等。分地處理可以防止不相容電路的回流干擾信號(hào)疊加，防止在公共接地線端互相耦合干擾。如圖6所示，分地處理時(shí)各個(gè)地區(qū)域投影部分應(yīng)與其功能對(duì)應(yīng)的電路在同一區(qū)域。

圖6 分地設(shè)計(jì)示意圖

以圖6為例，通過(guò)分地設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輸入電源地、濾波后輸出電源地、通信地和數(shù)字地之間的隔離，避免各個(gè)地之間投影重疊和走線的跨分割，對(duì)每個(gè)底層預(yù)留一個(gè)對(duì)外殼地的跨接電容，為干擾搭接低阻抗回路。

4 結(jié)語(yǔ)

冶煉廠自動(dòng)控制系統(tǒng)中的干擾是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題，采取綜合防護(hù)措施可以將干擾因素進(jìn)行排除，將干擾減少到最低。做好產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)屏蔽、電路原理圖濾波措施和PCB走線布局設(shè)計(jì)，可有效避免電磁干擾，保證系統(tǒng)電磁兼容性。

[1]張華.轉(zhuǎn)爐副槍自動(dòng)化煉鋼系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐[J].工業(yè)b,2017(1):00254-00254.

[2]史鳳敏,陳甘,王健.抗電磁干擾兼容連接器技術(shù)在電力自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊,2016(24).