浅谈大学生电子设计赛中电磁兼容设计问题

许 粮，罗有萍，曾祥志

（赣南师范学院，江西 赣州 341000）

 

摘  要：分析了电磁骚扰源的特征、电磁骚扰的耦合途径，提出了减小和抑制电磁干扰措施。

关键词：电磁兼容；接地；屏蔽；滤波；PCB

 

电磁兼容一般指电气、电子系统及子系统在共同的环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述各种电路、设备、子系统能正常工作又不互相干扰，达到“兼容”状态。

大学生电子设计赛中，所设计的电子系统一般都包含：电源、检测、控制和执行等部分（或子系统）。各部分（或子系统）工作时，往往会产生电磁干扰这种有害的电磁效应，这种电磁效应轻则使电路（或系统）的性能降低，重则使电路（或系统）失效。因此，为了使所设计的系统中各部分工作达到“兼容”状态，有必要重视电磁兼容设计问题。

要使系统中各子系统能兼容工作，首先必须了解本系统或外部环境中可能产生电磁骚扰的骚扰源及其耦合途径；然后对这些骚扰源及耦合途径采取措施，以减小或抑制这些有害电磁效应对系统工作的影响，以达到各子系统“兼容”状态。

这里主要讨论电子设计中各子系统可能形成骚扰源的电路、器件及所产生

的骚扰信号的特征。

1.1  直流电动机产生的骚扰

在直流电动机中含有换向器和电刷，当电动机转动时，电动机的换向器与电刷就会不断地接触与断开。当电刷与相邻的换向器短接时，在与换向器相连接的电枢绕组中有电流流过，紧接着电刷与换向器很快转入断开状态，在此瞬间将产生火花放电骚扰。这个过程是一个重复转换过程，产生的骚扰具有很宽的频带（但频率很低的骚扰信号分量很小）。通常，在电动机的接线端上，传导骚扰电压可达几十毫伏至几百毫伏。对非金属壳体的电动机在1M的距离引起感应电压可达3000~5000uV。电子设计赛中，学生一般使用小功率的直流电动机，其外壳是金属外壳，有一定的屏蔽作用，为加强对骚扰辐射的屏蔽，应将电动机外壳接地。

1.2  电源、振荡器、时钟电路所形成的骚扰源

电源、振荡器、时钟电路所产生的信号进入系统形成的骚扰是周期性的连

续波骚扰，其频率可能是输入电源频率（50Hz）、电源谐波频率，振荡频率及谐波频率，时钟频率及谐波频率。通常这些骚扰以低电平进入，然后被逐级放大。

一般而言，从各种电磁骚扰源传输电磁骚扰至敏感电路的通路或媒介，即耦合途径，有两种方式：一种是传导耦合方式，另一种是辐射耦合方式。

传导耦合是骚扰源与敏感电路之间的主要耦合途径之一。传导耦合必须在骚扰源与敏感电路之间存在有完整的电路连接，电磁骚扰沿着这一连接电路从骚扰源传输电磁骚扰至敏感电路，产生电磁干扰。传导耦合的连接电路包括互连导线、电源线、信号线、接地导体、设备的导电构件、公共阻抗、电路元件等。

辐射耦合是电磁骚扰通过其周围的媒介以电磁波的形式向外传播，骚扰电磁能量按电磁场的规律向周围空间发射。辐射耦合的途径主要有天线、电缆（导线）、机壳的发射对组合。通常将辐射耦合划分为三种：①天线与天线之间的耦合，指的是天线A发射的电磁波被另一天线B无意接收，从而导致天线A对天线B产生功能性电磁干扰；②场与线的耦合，指的是空间电磁场对存在于其中的导线实施感应耦合，从而在导线上形成分布电磁骚扰源；③线与线的感应耦合，指的是导线之间以及某些部件之间的高频感应耦合。

实际工程中，敏感电路受到电磁干扰侵袭的耦合途径是传导耦合、辐射耦合、感应耦合以及它们的组合。

电磁干扰源、干扰传播途径和敏感电路是电磁干扰的三要素，怎样减小或抑制电磁干扰，主要应从以上三个方面入手，以获得良好的电磁兼容性。

3.1   从电源着手减小电源对系统的干扰以及电源内阻形成的传导骚扰耦合

（1）选择功率合适、漏磁小且内阻小的变压器组成电源，以减小变压器漏磁耦合到系统中，形成低频电源干扰（必要时，还须对变压器进行屏蔽）。同时由于变压器内阻小，可减小电源内阻，从而减弱通过公共阻抗形成的电磁骚扰传导耦合。

（2）改善电源的滤波和稳压措施，以减小电源内阻及纹波电压。

（3）对于电流大、可能形成较强骚扰源的部件（如：直流电动机、步进电

动机），为了消除其通过公共阻抗对系统形成干扰，可采用独立电源对其供电。

3.2  改善地线系统

理想的地线是一个零阻抗，零电位的物理实体，它不仅是信号的参考点，而且电流流过时不会产生电压降。在具体的电气、电子系统中，这种理想地线是不存在的，当电流流过地线时，必然会产生电压降，从而形成骚扰。据此可根据地线中干扰形成机理可归结为以下两点，第一，减小地线阻抗和电源馈线阻抗。第二，正确选择接地方式和阻隔地环路。按接地方式来分有悬浮地、单点接地、多点接地、混合接地。

如果敏感线路的干扰主要来自外部空间或系统外壳，此时可采用悬浮地的方式加以解决，但是悬浮地设备容易产生静电积累，当电荷达到一定程度后，会产生静电放电，所以悬浮地不宜用于一般的电子系统。

单点接地适用于频率低于1MHz的低频电路，为防止工频电流及其他杂散电流在信号地线上各点之间产生电位差，信号地线应与电源及安全地线隔离，在电源线接地处单点连接。

多点接地方式适用于频率高于10MHz的高频电路，为使多点接地有效，接地导体长度不应超过最高频率的1/10波长。

混合接地即包含了单点接地的特性，也包含了多点接地的特性，所于，混合接地适用于既然有高频又有低频的电子线路中，一般来说，当信号频率在1~10MHz之间时，比适合采用混合接地方式。

3.3  屏蔽

屏蔽是提高电子系统和电子设备电磁兼容性能的重要措施之一，它能有效的抑制通过空间传播的各种电磁干扰。屏蔽按机理可分为磁场屏蔽与电场屏蔽及电磁屏蔽。电场屏蔽应注意以下几点：①选择高导电性能的材料，并且要有良好的接地。②正确选择接地点及合理的形状，最好是屏蔽体直接接地。磁场屏蔽通常只是指对直流或甚低频磁场的屏蔽，其屏蔽效能远不如电场屏蔽和电磁屏蔽，磁屏蔽应注意：①要选用铁磁性材料作屏蔽体。②磁屏蔽体要远离有磁性的元件，防止磁短路。③可采用双层屏蔽甚至三层屏蔽。④屏蔽体上的开孔要注意开孔的方向，尽可能使缝隙的长边平行于磁通流向。一般来说，磁屏蔽不需要接地，但为防止电场感应，还是接地为好。电磁场在通过金属或对电磁场有衰减作用的阻挡体时，会受到一定程度的衰减，即产生对电磁场的屏蔽作用，所于，高导电性能的材料可作为高频电磁场的屏蔽体。

3.4  滤波

实践表明，即使一个经过很好设计且具有正确的屏蔽和接地措施的电子系统，也仍然会有传导骚扰发射或传导骚扰进入系统。滤波是压缩信号回路骚扰频谱的一种方法，当骚扰频谱成分不同于有用型号的频带时，可以用滤波器将无用的骚扰滤除。滤波器将有用信号和骚扰的频谱隔离越完善，它对减少有用信号回路内的骚扰的效果越好。

例如（2003年）第六届全国大学生电子设计赛中的“液体点滴速度监控装置”，其液体点滴速度信号是由光电传感器获取，由于光电传感器内阻很大，所于应选择高输入电阻的放大器将其放大，但这时，直流电动机的骚扰很容易通过传导耦合对被测信号形成干扰。考虑到被检测的点滴速度信号的频率很低，而电动机骚扰频谱在数百Hz以上。因而，我们很容易利用低通滤波器将电动机骚扰滤除或减弱。

3.5  改善印制板（PCB）布局、布线减弱骚扰源与敏感电路之间的耦合

为了减弱系统中各子系统之间的相互干扰，在印制板设计、布局、布线时应注意以下原则：

(1)在PCB设计中，如果电路系统同时存在数字电路、模拟电路以及大电流电路，则必须分开布局，使各系统之间耦合达到最小。

(2)热敏元件要尽量远离大功率元件。

(3)在布局时IC去耦电容要尽量靠近IC芯片的电源和地线引脚，否则滤波效果会变差。在数字电路中，为保证数字电路系统可靠工作，在每一数字集成电路芯片（包括门电路和抗干扰能力较差的CPU、RAM、ROM芯片）的电源和地之间均设置了IC去耦电容。

(4)时钟电路元件应尽量靠近CPU时钟引脚。数字电路，尤其是单片机控制系统中的时钟电路，最容易产生电磁辐射，干扰系统中其他元器件。

(5)印制导线转折点内角不能小于90