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电磁干扰及其解决措施

作者:时间:2001-09-11来源:

电磁干扰(Electromagnetic Interference, EMI)是指由于不规则电磁扰动而造成电子设备系统性能降低,要使电子或机电产品能够有效工作,必须实现电磁兼容(Electronicmagnetic Compatible, EMC)。但是EMI问题往往是在完成产品设计之后才注意到,实际上应该在此之前首先考虑,以保证产品充分发挥其应有的性能。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/3009.htm

EMI从发射源到达受干扰系统有两种途径:即传导和辐射。两者的区别在于前者沿导线传播而后者是在空气中传播。一般来讲辐射EMI的频率要高于30MHz, 传导EMI的频率低于30MHz

干扰信号有两种形式:连续干扰信号和瞬时干扰信号。连续干扰持续时间大于1/60s(16.67ms),而瞬时干扰持续时间小于1/60s。连续干扰可有低频和高频两种方式。低频干扰源包括荧光灯、电机和开关模式直流电源等;高频干扰一般是指射频干扰(Radio-frequency Interference, RFI),通常源于无线电发射机、计算机时钟和其它信号源。典型RFI环境下,干扰信号水平可在几mV/m300V/m之间,上限值一般只出现在高功率无线电台或雷达站发射天线附近。任何大于1/米的干扰都会对未保护电路造成破坏。一般电子产品需要能够承受10V/m的干扰,医疗和汽车设备为200V/m,而军事设备要高达300-400V/m。与数字电路相比,模拟电路更容易受RFI影响,在较低的电磁信号下即受到干扰。瞬时干扰可以是重复或随机的干扰,如电感器和电容器的放电即属于瞬时重复干扰,瞬时随机干扰可来源于静电放电(electrostatic discharge, ESD)、雷电以及核电磁脉冲等。在有雷电时,高压线路比低压线路更容易受到影响,干扰可沿着供电线路传到家庭或办公室,损坏电路。

应对EMI有两种措施:屏蔽和滤波。屏蔽是用来防止辐射干扰,其作用是在干扰RF信号到达被保护电路之前将其衰减。而滤波是用来防止传导干扰,它具有双向功效,既能防止干扰进入,也能防止漏出。通常高价位电器与低价位电器之间的区别主要在于其所采取的屏蔽手段。各种电子产品的屏蔽也不尽相同,有的采用邻接方式,以凹凸槽将外壳拼接在一起。对于低频辐射干扰,最低的要求如图1所示,下半部分边缘至少要和上半部分重叠46mm。对于高频干扰信号,仅靠几个螺丝固定来屏蔽是不够的,应多加几个,最低的原则是:两个螺丝之间的距离不能超过干扰信号波长的一半,最好是1/8波长左右。

在不同情况下滤波有不同的意义,尽管也有一些高通和带通滤波,多数EMI滤波都是低通的。有时干扰信号具有特定频率,因而需要陷波滤波器。从理论上讲,一个电容或电感器可以将干扰信号衰减20dB,最大可能有60120dB,事实上达不到。电容滤波器多用于高阻抗电路,而电感滤波器多用于低阻抗电路。最简单的滤波器是馈通电容滤波器,如果与好的屏蔽相配合,这样的馈通电容滤波器已经足够了。

2所示为两种在屏蔽板安装馈通电容滤波器的方法,a为螺丝固定方式,螺母应紧紧地固定在底座。b为焊接方式,但屏蔽板不能是铝材。如果需要更大程度的滤波,需要将LC结合使用,典型的连接方式如图3所示。a为内电容器输入型,理论上能达到40dB也就是1001的衰减,虽然对于LFVHF衰减有所不同,但基本可以用于任何频率的电路。为得到较好的滤波效果,引线应尽量短以避免信号的辐射。如果用第二个馈通电容器代替图3a中的护孔圈(Grommet),就能够实现更高一级的滤波,理论上这样可以衰减60dB。图3 b为外电感器输入型,电感器或RF扼流器(RF choke)外接到底座,并且直接和馈通电容器相连。

在阻抗已知时,可用图4所示的滤波器。如果输入和输出阻抗都很低,可用一个电感器或RF扼流器或者包含两个电感器、一个电容器的T形滤波方式。 如果输入阻抗很高,输出阻抗很低,此时可用一个电容输入L(L-section)滤波器。同样如果输入阻抗很低,而输出阻抗很高,此时可用一个电感输入L形滤波器。如果输入、输出阻抗都很高,可用一电容或Π(Pi-section)滤波器。

产生干扰信号的电流有两种形式:共模和差分,如图5所示,共模和差分模式所需的滤波方式不同。差分模式中,需要在信号线(hot lead)串接一滤波器并接地;在共模模式,需要在所有相关的引线上使用相同的滤波方式。图6为一种对共模和差分模式都适合的滤波方式。

AC电源线是传导EMI的来源,必须最大程度地滤波。AC电源线滤波不仅要防止RFI,而且要防止远处的雷电。防止雷电或其它高压瞬时干扰可采用图7所示的金属氧化物变阻器(MOV),其作用相当于一对背靠背的齐纳二极管。不论极性如何,它都能够把高压瞬时干扰降低。从另一个角度讲,MOV 在低压下像一个绝缘体,但在超过一定的电压阈值后,变阻器呈现出低阻抗,将瞬时干扰电压信号降低。MOV主要用于AC电源线上瞬间电压扰动滤波。

图8所示为对共模和差分RFI都适合的滤波器。用值足够大的器件,可以在某种程度上防止雷电或其它瞬时干扰信号。

EMI问题存在于心电图仪(electrocardiograph, ECG)、脑电图仪(electroencephalograph,EEG)等医疗设备中,而这些设备需要在强干扰信号下处理仅几个mV到1mV的信号。除RFI外,还有两种其它干扰来源。第一是电震发生(或去纤震)器(defibrillator),源于使病人心脏正常起搏的电容性放电,可高达几kV。第二来源于500~2500KHz的高功率RF 电外科设备(electrosurgery units),其电路中RF功率可高达400~500W,而这些距离电路ECG和EEG的信号电极仅有几个cm,没有适当的滤波这些设备难以正常工作。

图9所示为一种滤波输入电路,可用于保护处在高压或强电磁场中的EEG、ECG等,采用这种滤波器后,上面提到高压或高功率的电震发生器和电外科设备可与其它仪器同时使用。由于EEG和ECG中的信号都低于100Hz,因此这样一低通RC滤波器已经足够。

电脑EMI是很严重的,放一个AM收音机在电脑附近,会听到许多杂音。由于电脑时钟已高达几百MHz,对于FM收音机的干扰更大。图10是一种连接数字引脚的解决办法,正是这些引脚将EMI带到电路板。铁氧体环(ferrite beads)相当于一个小RF 扼流器,可除去VHF/UHF波段的RFI。由于此滤波方式是双向的,因此也可同时防止进入和漏出的干扰信号。电脑系统主要的干扰信号来源于监视器,这是因为两个因素:第一,偏转电路通常工作在小于40KHz的波段,这低于许多其它系统,并且有许多谐波;第二,偏转电路通常功率很高。可通过电路屏蔽和在信号线上连接共模扼流器来防止这种干扰信号。■(新光)

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