电磁干扰及其抑制方法的研究.doc

弱电工程中电磁干扰及其抑制方法的研究

（葛洲坝通信工程有限公司 方宏坤 151120）
【摘 要】 在弱电工程应用领域，强电与弱电交叉耦合，电磁干扰（EMI）错综复杂， 严重影响弱电系统的稳定性和安全性。本文详细介绍了 EMI 产生的原因、分析EMI/RFI的特性，及其传输途径和危害， 利用电磁理论和工程实践，分析并提出了一些在弱电工程领域行之有效的 EMI 抑制方法。
【关键词】 弱电 电磁干扰（EMI） 射频干扰（RFI） 干扰抑制
随着计算机技术，特别是网络技术的飞速发展，IT技术在弱电工程领域的广泛应用，IT设备日益精密、复杂，使得电子干扰问题日趋严峻。它可使系统的稳定性、可靠性降低，功能失效，甚至导致系统完瘫痪和设备损坏。特别是 EMI／RFI（电磁干扰／射频干扰）问题，已成为近几年弱电工程领域的焦点。
1、电磁干扰分类和特性
生活中电磁干扰无处不在，其干好错综复杂。通常我们把电磁干扰主要划分为电磁干扰（EMI）、射频干扰（RFI）和电磁脉冲（EMP） 三种，根据其来源可分为外界和内部两种，严格的说所有电子运行的元件均可看作干扰源。本文中所提EMI是对周围电磁环境有较强影响的干扰；RFI则从属于EMI；EMP 是一种瞬态现象，它可由系统内部原因（电压冲击、电源中断、电感负载转换等）或外部原因（闪电等）引起，能耦合到任何导线上，如电源线和通信电缆等，而与这些导线相连的电子系统可能受到瞬时严重干扰或使系统内的电子电路永久性损坏。图 1 给出了常见 EMI／RFI 的干扰源及其频率范围。
1MHz
10MHz
100MHz
1GHz
10GHz
TV（VHF）
FM
TV（UHF）
微波炉
汽车点火噪音
VHF通信
静 电 放 电
计算机
航 空 雷 达
图1 常见干扰源及频率范围

1.1 EMI特性分析
在电子系统设计中，应从三个方面来考虑电磁干扰问题：首先是电子系统产生和发射干扰的程度；其次是电子系统在强度为 1～10 V/m、距离为 3 米的电磁场中的抗扰特性；第三是电子系统内部的干扰问题。利用干扰三要素分析与EMI相关的问题需要把握EMI的五个关键因素，这五个关键因素是频率、幅度、时间、阻抗和距离。
在EMI分析中的另一个重要参数是电缆的尺寸、导线及护套，这是因为，当EMI成为关键因素时，电缆相当于天线或干扰的传输器，必须考虑其物理长度与屏蔽问题。
1.2 RFI特性分析
无线电发射源无处不在，如无线电台、移动通信、发电机、电动机、电锤等等。所有这些电子活动都会影响电子系统的性能。无论RFI的强度和位置如何，电子系统对RFI必须有一个最低的抗扰度。在通信、无线电工程中，抗扰度定义为设备承受每单位RFI功率强度的敏感度。从“干扰源—耦合途径—接收器”的观点出发，电场强度E是发射功率、天线增益和距离的函数，即

式中P为发送功率（mW／cm2）， G为天线增益，d为电路或系统距干扰源的距离（m）。
由于模拟电路一般在高增益下运行，对RF场比数字电路更为敏感，因此，必须解决μV级和mV级信号的问题；对于数字电路，由于它具有较大的信号摆动和噪声容限，所以对RF场的抑制力更强。
1.3 干扰途径
任何干扰问题可分解为干扰源、干扰接收器和干扰的耦合途径三个方面，即 所谓的干扰三要素。如表 2 所示。
表2
干扰源
耦合途径
干扰类型
接收器

共地阻抗
传导干扰

辐射场到互连电缆（共模）
辐射干扰

微控制器
辐射场到互连电缆（差模）
辐射干扰

有源器件
电缆间串扰（电容效应）
感应干扰
微控制器
静电放电
电缆间串扰（电感效应）
感应干扰
通信接收器

通信发射机
电缆间串扰（漏电导）
传导干扰
有源器件
电源
电缆间串扰（场耦合）
辐射干扰
其他电子系统
扰动
电源线到机箱
传导干扰

雷电
辐射场到机箱
辐射干扰

设备到设备辐射
辐射干扰

设备间的传导
传导干扰

干扰信号是通过传导、辐射和感应（电容效应与电感效应，干扰源和接收器相距小于数个波长）到达接收器。如果干扰信号的频率小于30 MHz，主要通过内部连接耦合；如果大于30MHz，其耦合途径是电缆辐射和连接器泄漏；如果大于300MHz，其耦合途径是辐射。许多情况下，干扰信号是一宽带信号，其耦合方式包括上述所有情形。
2、无源元件在EMI／RFI环境中的特性
无源元件的合理使用可减小EMI／RFI对电路或系统的影响，对于弱电工程师，应对抗干扰的主要工具——无源元件有足够的了解，特别是它们的非理想作用。图 2 给出了无源器件在电路中的非理想特性。
图2 无源器件在电路中的非理想特性
元 件 低 频 高 频 响 应
导 线
电 容
电 感
电阻 线

从图2可以看出，在很高频率时，导线变成了反射线，电容变成了电感，电感变成 了电容，电阻变成了共振电路。在低频时，导线具有很低的电阻（＜0．0656Ω/m），但它的寄生电感约为0.079 nH／m；当频率达到几MHz以上时，就变成了电感，由于电感的不可控性，最终使其变成一根发射线。根据天线理论可知，无端接的传输线将变成一个具有增益的天线。
3、低通滤波器在抑制 EMI／RFI 中的应用
低通滤波器对共模和差模噪声有较强的抑制作用。干扰的耦合途径有信号输入、信号输出和电源供应三个点，所以采用 0．1μF 的高频陶瓷电容对所有的电源供应端进行退耦；采用截止频率高于信号带宽 10～100 倍的低通滤波器对所有的信号线进行滤波。
对于低通滤波器，必须保证在预期的最高频率段也是有效的，因为，实际的低通滤波器在高频时会出现泄漏现象，如图 4 所示。这是由于寄生电容引起电感效率的损失，寄生电感引起电容损失所造成的。对于低通滤波器（电感、电容组成），当输入信号频率比滤波器截止频率高 100～1000 倍时，就发生泄漏现象。为此，一般不采用一级低通滤波器，而是分为低频带、中频带和高频带且每个频带单独设置滤波器。
dB
f
图4 低频滤波器在100-1kfdB时的效率
100-1000fdB

低频带宽为 10 kHz～1 MHz；中频带宽为 1 MHz～100 MHz；高频带 宽为 100 MHz～1GHz。在低通滤波器中，如果存在任何对地阻抗，该阻抗便成为高频噪声的旁路路径，因此，滤波器的地应是宽频带且连接到低阻抗点或地线层上，以优化滤波性能。另外，高频电容的引脚应尽可能短，最好采用低电感表面贴片式瓷片电容。
4、电源中 EMI 的抑制措施
实际弱电工程中，开关电源工作时振荡频率高达数百千HZ，其二次，三次及多次谐波更是高达数MHz。这些电磁波一方面以无线电波的形式向周围空间发散，另一方面会通过市电供电电路向外传波，从而干扰电子设备的正常工作。
（1）开关电源的抗干扰抑制
对于开关电路来说，合理的设计布局和接地可以对电路中产生的辐射噪声进行有效抑制。
A、合理电路布局可起到抗干扰效果
在电路设计中：①将散热元器件如功率开关器件、稳压器、变压器等安装在印制板的上方，以利于散热；热敏元件应尽量远离散热元件。②在高频电路中，尽可能缩短高频元器件之间的连线，减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰；尽量减小由高频脉冲电流所包围的面积。③输入和输出元件应尽量远离。
  B、合理的接地可起到抗干扰的效果
在电路设计中：①尽量减小接地回路中的公共电阻，且应遵循“一点接地”原则。②交流电源地与直流电源地分开。通常采用“浮地技术”将交流电源地与直流电源地分开，这样可以隔离来自交流电源地线的干扰。③功率地与弱电地分开。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高，所以功率地线上的干扰较大。因此功率地必须与其他弱电地分别设置，以保证整个系统稳定可靠的工作。
（2）在电源的整流和稳压输出端除加有大电容低频滤波外，应并接低容量无感高频滤波电容器进行高低频滤波。
（3）尽量使电源线和地线平行走线，使电源线对地呈低阻抗以减小电源噪声干扰，必要时最好使用双绞线馈电。
5、屏蔽技术在线路工程中的应用
电磁波是电磁能量传播的主要方式，一方面，电子设备工作时，会向外辐射电磁波，对邻近的其它设备产生干扰。另一方面，空间的各种电磁波也会感应到电路中，对电路造成干扰。电磁屏蔽的作用是切断电磁波的传播途径，从而消除干扰。
5.1 屏蔽电缆屏蔽的原理
E
图5 屏蔽电缆的原理图
屏蔽网接地
电缆横截面屏蔽网
横截面
ΔE
E
电缆信号线截面
① ②
正电荷
负电荷
A
B
C

图5展示了屏蔽电缆屏蔽网的工作原理。图5 A图展示屏蔽网受到外部EMI干扰时，干扰场E在屏蔽网表面形成了电势差UA，根据场强公式E=U/d，它在屏蔽网内部产生了反方向的ΔE场，其大小ΔE等于干扰场E，故而E+ΔE=0，即屏蔽网内电场为零，外部EMI被屏蔽网完全屏蔽。图5 B图屏蔽网不接地时，虽然外部干扰可以被屏蔽，但内部干扰和漏磁辐射仍存在。当B图中1号线传输信号时，1号线与电缆屏蔽网形成了电容效应，在屏蔽网内产生电场dE1 ，直接对2号线进行干扰。同理，2号线产生的电场dE2 又直接干扰1号线。同时，1、2号线还向屏蔽网外辐射，形成信号泄漏和新的外部干扰。图5 C图屏蔽网接地时，屏蔽网表面电势为零，所以对内它是1、2号线的地线，对外不会产生电磁泄漏和干扰。因此在计算机网络技术、视频监控等系统的通信线路中，需要屏蔽电缆的，电缆屏蔽网必须进行良好的接地处理，否则会大大减低屏蔽效果。
5.2 屏蔽层的接地的方式
屏蔽接地通常采用两种方式来处理：屏蔽层单端接地和屏蔽层双端接地。  
①单端接地是在屏蔽电缆的一端将金属屏蔽层直接接地。在屏蔽层单端接地情况下，非接地端的金属屏蔽层对地之间有感应电压存在，感应电压与电缆的长度成正比，但屏蔽层无电势环流通过。单端接地就是利用抑制电势电位差达到消除电磁干扰的目的。这种接地方式适合长度较短的线路，电缆长度所对应的感应电压不能超过安全电压。
②双端接地是在屏蔽电缆的两端将金属屏蔽层直接接地。在屏蔽层双端接地情况下，金属屏蔽层不会产生感应电压，但金属屏蔽层受干扰磁通影响将产生屏蔽环流通过，如果地点A和地点B的电势不相等，将形成很大的电势环流，环流会对信号产生抵消衰减效果。
一般而言模拟信号主张单端接地，以避免双端接地时，地电势不同引发的地电流影响信号；数字信号或差分信号主张双端接地。当电磁感应的干扰较大时，宜采用两点接地；静电感应的干扰较大时，可采用一点接地。
双重屏蔽或复合式总屏蔽时，宜对内、外屏蔽分别采用一点、两点接地。
5.3 屏蔽的效果
通常弱电线路工程中多采用封闭金属屏蔽层对电路进行屏蔽。封闭屏蔽层对电路屏蔽效果主要取决于材料的导电性和导磁性。材料的导电性和导磁性越好，屏蔽效能越高，但实际的金属材料不可能兼顾这两个方面，例如铜的导电性很好，但是导磁性很差;铁的导磁性很好，但是导电性较差。应该使用什么材料，根据具体屏蔽主要依赖反射损耗、还是吸收损耗来决定是侧重导电性还是导磁性。弱电工程应用中屏蔽的效果可根据以下公式计算：

公式中：E0是屏蔽前的干扰场强，E1是屏蔽后屏蔽保护下的场强。
弱电工程应用中，增加屏蔽保护后的线路，其干扰会减少到无屏蔽状态下的百分之一,甚至万分之一；也就是说，采用屏蔽保护的线路抗干扰能力提高了100至10000倍。
6、电子设备工作静电形成的原因、危害与抑制
电子设备工作时会向周围幅射大量的高频电磁波，如果周围存在金属物体时，这些携带能量的电磁波就会被金属物体如机箱吸收，其中的一部分能够会转化为热量，一部分会转化为电荷在金属表面积累起来。如果金属物体没有接地或接地不良时，这部分电荷会随着时间的积累而增加，这就是电子设备工作静电形成的主要原因。
静电的基本物理特性为：吸引或排斥，与大地有电位差，会产生放电电流。这三种特性能对电子元件产生三种不利影响：
1．静电吸附灰尘，降低元件绝缘电阻（缩短寿命）。
2．静电放电破坏，使元件受损不能工作(完全破坏)。
3．形成静电电势，静电电势范围很大，一般在几十伏至上万伏间。当静电电势达到2000伏以上时，人体接触就回有电感，而击穿敏感元器件通常只需要几百伏至几千伏，故而对电子设备的安全构成了巨大威胁。
目前静电放电引起的元件击穿损害是电子工业最普遍、最严重的静电危害,它分硬击穿和软击穿。硬击穿是一次性造成元器件介质击穿或永久性失效；软击穿则是造成器件的性能劣化或参数指标下降。
静电抑制的主要措施有：静电的泄漏和耗散、静电中和、静电屏蔽与接地、增湿等。在弱电工程实践中采用最多的办法就是设备静电屏蔽与接地。如通信机房设备、机柜接地处理等。据工程经验统计，未采取静电防护处理与采取防护的电子设备相比，平均寿命要降低20%，故障率增加20%。
7、总结
今天弱电智能技术飞速发展，电磁环境错综复杂，如何防范弱电系统的电磁干扰，降低EMI对工程中电源、线路及设备的影响，切实提高电子系统的稳定性和安全，是弱电工程领域一大难题。在实际工程应用中，采用哪种EMI抑制方法，应根据实际环境综合分析，合理选择，才能获得较理想的效果。

【参考文献】
1 H W Ott．Noise Reduction Techniques in Electronic Sys－tems．Second Editiong．New York，John Wiley＆Sons，Inc．，1988
2 A Rich．Understanding Interference－Type Noise．Ana－log Dialogue， 1982，16（3）：16～19
3 《电磁干扰和射频干扰及其抑制措施研究》作者 李贵山等 2006年
4 《屏蔽电缆接地问题的研究》作者 张斌等 杭州电子科大 2002年