硬件抗干擾技術(shù).ppt

,第三章 硬件抗干擾技術(shù),談?dòng)⒆? 東南大學(xué)自控系工業(yè)自動(dòng)化教研室,第 2 頁,主要硬件抗干擾技術(shù),接地 屏蔽 濾波,第 3 頁,接地,為什么要地線 地線問題地環(huán)路 地線問題公共阻抗耦合 接地方式種類 電纜屏蔽層的接地,第 4 頁,安全地,220V,0V,+,+,+,+,+,第 5 頁,信號(hào)地,定義：信號(hào)電流流回信號(hào)源的低阻抗路徑,第 6 頁,地線引發(fā)干擾問題的原因,V = I R,地線電壓,地線是等電位的假設(shè)不成立,電流走最小阻抗路徑,我們并不知道地電流的確切路徑,地電流失去控制,第 7 頁,地線電位示意圖, 2mV,200mV,2mV 10mV,10mV 20mV,20mV 100mV,100mV 200mV,第 8 頁,導(dǎo)線的阻抗,Z = RAC + jL,L 1H/m, = 1 / ( f r r)1/2,RAC= 0.076r f1/2 RDC,r,電流,深度,0.37I,I,趨膚效應(yīng),第 9 頁,導(dǎo)線的阻抗,第 10 頁,金屬條與導(dǎo)線的阻抗比較,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,S / W,金屬條阻抗/導(dǎo)線阻抗,第 11 頁,地線問題地環(huán)路,IG,VG,VN,地環(huán)路,I1,I2,第 12 頁,隔離變壓器,屏蔽層只能接2點(diǎn)！,C2,VG,1,2,C1,屏蔽,CP,VG,VS,VN,RL,第 13 頁,光隔離器,發(fā)送,接收,RL,VG,VS,光耦器件,Cp,第 14 頁,共模扼流圈的作用,Vs,R1,R1,RL,L,VG,IN1,IN2,IS,VS + VN, = R1 / L,VN / VG,RL/（RS + RL）,M,f,第 15 頁,平衡電路對(duì)地環(huán)路干擾的抑制,VG,RS1,VS1,RS2,RL2,RL1,VS2,IN1,IN2,IS,VL,第 16 頁,地線問題公共阻抗耦合,電路1,電路2,地電流1,地電流2,公共地阻抗,V,第 17 頁,接地方式種類,信號(hào)接地方式,并聯(lián)單點(diǎn)接地,串聯(lián)單點(diǎn)接地,混合接地,多點(diǎn)接地,單點(diǎn)接地,第 18 頁,單點(diǎn)接地,1,2,3,1,2,3,串聯(lián)單點(diǎn)接地 優(yōu)點(diǎn)：簡單 缺點(diǎn)：公共阻抗耦合,并聯(lián)單點(diǎn)接地 優(yōu)點(diǎn)：無公共阻抗耦合 缺點(diǎn)：接地線過多,I1,I2,I3,I1,I2,I3,A,B,C,A,B,C,R1,R2,R3,第 19 頁,串聯(lián)單點(diǎn)、并聯(lián)單點(diǎn)混合接地,模擬電路1,模擬電路2,模擬電路3,數(shù)字邏輯控制電路,數(shù)字信息處理電路,繼電器驅(qū)動(dòng)電路,馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路,第 20 頁,線路板上的地線,噪聲,模擬,數(shù)字,第 21 頁,長地線的阻抗,設(shè)備,Z0 = (L/C)1/2,R,R,L,L,C,C,FP1 = 1/2(LC)1/2,ZP = (L)2/R,RAC,RDC,串聯(lián)諧振,并聯(lián)諧振,第 22 頁,多點(diǎn)接地,R1,R2,R3,L1,L2,L3,電路1,電路2,電路3,第 23 頁,混合接地,Vs,地電流,Rs,Vs,安全接地,Rs,安全接地,地環(huán)路電流,第 24 頁,屏蔽,屏蔽的概念 電屏蔽 磁屏蔽 電磁屏蔽 實(shí)際屏蔽體的問題 雙絞線和金屬屏蔽線,第 25 頁,屏蔽的概念,屏蔽就是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳播的一種措施； 屏蔽體是為了阻止或減小電磁能傳輸而對(duì)裝置進(jìn)行封閉或遮蔽的一種阻擋層，它可以是導(dǎo)電的、導(dǎo)磁的、介質(zhì)的或帶有非金屬吸收填料的。,第 26 頁,屏蔽效能,屏蔽前的場強(qiáng)E1,屏蔽后的場強(qiáng)E2,屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量: SE = 20 lg ( E1/ E2 ) dB,第 27 頁,屏蔽效能與場強(qiáng)衰減的關(guān)系,屏蔽效能越高，每增加的難度越大。民用設(shè)備的機(jī)箱一般僅需要左右的屏蔽效能，而軍用設(shè)備的機(jī)箱一般需要以上的屏蔽效能。,第 28 頁,電屏蔽,具有空腔的金屬導(dǎo)體在靜電平衡狀態(tài)下，不僅導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)為零，而且腔內(nèi)場強(qiáng)也為零，因而置于腔內(nèi)的物體不受外界電場的影響，這種作用叫靜電屏蔽。,第 29 頁,電屏蔽,靜電屏蔽的一般方法是在電容耦合通道上插入一個(gè)接地的金屬屏蔽導(dǎo)體。 由于金屬屏蔽導(dǎo)體接地，其中的干擾電壓為零，從而隔斷了電場干擾的原來耦合通道。,C1s,C1G,C2G,V1,Vs,第 30 頁,磁屏蔽,載流導(dǎo)體或線圈周圍都會(huì)產(chǎn)生磁場，如果電流是隨時(shí)間變化的，則磁場也隨時(shí)間變化，這變化的磁場會(huì)對(duì)其他元件或電路造成干擾； 對(duì)于低頻磁場的屏蔽，主要依賴高導(dǎo)磁率材料所具有的小磁阻起磁分路作用,第 31 頁,高導(dǎo)磁率材料的磁旁路效果,H0,H1,H0,Rs,R0,H1,R0,Rs,SE = 1 + R0/RS,第 32 頁,怎樣屏蔽低頻磁場？,低頻磁場,低頻,磁場,吸收損耗小,反射損耗小,高導(dǎo)電材料,高導(dǎo)磁材料,高導(dǎo)電材料,第 33 頁,磁屏蔽材料的頻率特性,1,5,10,15,坡莫合金,金屬,鎳鋼,冷軋鋼,0.01 0.1 1.0 10 100 kHz,r 103,第 34 頁,電磁屏蔽,電磁屏蔽是對(duì)于高頻電磁場的屏蔽 電磁波在通過金屬材料或?qū)﹄姶挪ㄓ兴p作用的阻擋層時(shí)，會(huì)受到一定程度的衰減，這就起到了電磁屏蔽的作用。,第 35 頁,趨膚深度舉例,第 36 頁,電磁屏蔽與靜電屏蔽,電磁屏蔽指的是對(duì)電磁波的屏蔽，而靜電屏蔽指的是對(duì)靜電場的屏蔽。 靜電屏蔽要求屏蔽體必須接地。 影響屏蔽體電磁屏蔽效能的不是屏蔽體接地與否，而是屏蔽體導(dǎo)電連續(xù)性。破壞屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性的因素有屏蔽體上不同部分的接縫、開口等。 電磁屏蔽對(duì)屏蔽體的導(dǎo)電性要求要比靜電屏蔽高得多。,第 37 頁,實(shí)際屏蔽體的問題,通風(fēng)口,顯示窗,鍵盤,指示燈,電纜插座,調(diào)節(jié)旋鈕,實(shí)際機(jī)箱上有許多泄漏源：不同部分結(jié)合處的縫隙通風(fēng)口、顯示窗、按鍵、指示燈、電纜線、電源線等,電源線,縫隙,第 38 頁,縫隙的泄漏,低頻起主要作用,高頻起主要作用,第 39 頁,縫隙的處理,電磁密封襯墊,縫隙,第 40 頁,電磁密封襯墊的種類,金屬絲網(wǎng)襯墊(帶橡膠芯的和空心的) 導(dǎo)電橡膠(不同導(dǎo)電填充物的) 指形簧片(不同表面涂覆層的) 螺旋管襯墊(不銹鋼的和鍍錫鈹銅的) 導(dǎo)電布,第 41 頁,指形簧片,第 42 頁,螺旋管電磁密封襯墊,第 43 頁,電磁密封襯墊的主要參數(shù),屏蔽效能 (關(guān)系到總體屏蔽效能) 回彈力（關(guān)系到蓋板的剛度和螺釘間距） 最小密封壓力（關(guān)系到最小壓縮量） 最大形變量（關(guān)系到最大壓縮量） 壓縮永久形變（關(guān)系到允許蓋板開關(guān)次數(shù)） 電化學(xué)相容性（關(guān)系到屏蔽效能的穩(wěn)定性）,第 44 頁,各種電磁密封襯墊的特點(diǎn),第 45 頁,電磁密封襯墊的安裝方法,絕緣漆,環(huán)境密封,第 46 頁,顯示窗/器件的處理,隔離艙,濾波器,屏蔽窗,濾波器,第 47 頁,操作器件的處理,屏蔽體上開小孔,用隔離艙將操作器件隔離出,第 48 頁,通風(fēng)口的處理,穿孔金屬板,第 49 頁,屏蔽電纜穿過屏蔽機(jī)箱的方法,第 50 頁,屏蔽殼體上的穿線,屏蔽殼體上不允許有任何導(dǎo)線穿過，屏蔽效能再高的屏蔽體，一旦有導(dǎo)線穿過屏蔽體，屏蔽體的屏蔽效能就會(huì)大幅度下降。這是因?yàn)閷?dǎo)線充當(dāng)了接收干擾和輻射干擾的天線。當(dāng)有導(dǎo)線要穿過屏蔽體時(shí)，必須使用貫通濾波器，如圖所示。這樣可以將導(dǎo)線接收到的干擾濾除到屏蔽體上，從而避免干擾穿過屏蔽體。,第 51 頁,搭接,電子設(shè)備中，金屬部件之間的低阻抗連接稱為搭接。例如： 電纜屏蔽層與機(jī)箱之間搭接 屏蔽體上不同部分之間的搭接 濾波器與機(jī)箱之間的搭接 不同機(jī)箱之間的地線搭接,第 52 頁,搭接不良的濾波器,濾波器接地阻抗,預(yù)期干擾電流路徑,實(shí)際干擾電流路徑,第 53 頁,搭接不良的機(jī)箱,V,I,航天飛行器上的搭接阻抗要小于2.5m!,第 54 頁,搭接阻抗的測(cè)量,機(jī)柜,搭接阻抗,頻率,寄生電容,導(dǎo)線電感,并聯(lián)諧振點(diǎn),V,I,Z = V / I,第 55 頁,不同的搭接條,第 56 頁,頻率不同搭接方式不同,第 57 頁,搭接點(diǎn)的保護(hù),第 58 頁,雙絞線和金屬屏蔽線,抑制靜電感應(yīng)干擾采用金屬網(wǎng)的屏蔽線； 抑制電磁感應(yīng)干擾采用雙絞線,第 59 頁,金屬屏蔽線,第 60 頁,雙絞線的節(jié)距,第 61 頁,雙絞線的接地與傳送距離,傳送距離在5米以下,第 62 頁,雙絞線的接地與傳送距離,傳送距離在10米以上,第 63 頁,屏蔽線的抗干擾原理,屏蔽層不接地：VN = VS =V1 C1S / ( C1S + C2G ) ，與無屏蔽相同 屏蔽層接地時(shí)：VN = VS = 0， 具有理想的屏蔽效果,C1s,C1G,C2G,C1G,C2G,C1s,Vs,V1,V1,Vs,C2S,第 64 頁,屏 蔽 要 點(diǎn),靜電屏蔽應(yīng)具有兩個(gè)基本要點(diǎn)，即完善的屏蔽體和良好的接地。 電磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽體具有良好的導(dǎo)電連續(xù)性，對(duì)屏蔽體的導(dǎo)電性要求要比靜電屏蔽高得多。 在實(shí)際的屏蔽中，電磁屏蔽效能更大程度上依賴于機(jī)箱的結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)電的連續(xù)性。機(jī)箱上的接縫、開口等都是電磁波的泄漏源。穿過機(jī)箱的電纜也是造成屏蔽效能下降的主要原因。 解決機(jī)箱縫隙電磁泄漏的方式是在縫隙處用電磁密封襯墊。電磁密封襯墊是一種導(dǎo)電的彈性材料，它能夠保持縫隙處的導(dǎo)電連續(xù)性。常見的電磁密封襯墊有導(dǎo)電橡膠、雙重導(dǎo)電橡膠、金屬編織網(wǎng)套、螺旋管襯墊、定向金屬導(dǎo)電橡膠等。,第 65 頁,濾波,濾波器的作用 濾波器的種類 信號(hào)濾波器的安裝位置 濾波器的正確安裝,第 66 頁,濾波器的概念,無源濾波器 有源濾波器 數(shù)字濾波器 衰減系數(shù),第 67 頁,濾波器的作用,信號(hào)濾波器,電源濾波器,切斷干擾沿信號(hào)線或電源線傳播的路徑，與屏蔽共同構(gòu)成完善的干擾防護(hù)。,第 68 頁,滿足電源線干擾發(fā)射和抗擾度要求,第 69 頁,滿足抗擾度及設(shè)備輻射發(fā)射要求,信號(hào)線濾波器,干擾源,第 70 頁,開關(guān)電源噪聲,50Hz的奇次諧波（1、3、5、7 ） 開關(guān)頻率的基頻和諧波（1MHz以下差模為主，1MHz以上共模為主）,第 71 頁,濾波器的種類,衰減,衰減,衰減,衰減,低通,帶通,高通,帶阻,3dB,截止頻率,第 72 頁,低通濾波器類型,C,T,L,反,第 73 頁,濾波器的選擇,根據(jù)阻抗選用濾波電路 器件參數(shù)的確定 低通濾波器對(duì)脈沖信號(hào)的影響,第 74 頁,根據(jù)阻抗選用濾波電路,規(guī)律：電容對(duì)高阻，電感對(duì)低阻,第 75 頁,器件參數(shù)的確定,L,C,R,R,L = R / 2FC C = 1 / 2RFC 對(duì)于T形（多級(jí)T）和 形（多級(jí)）電路，最外邊的電感或電容取 L/2 和 C/2，中間的不變。,第 76 頁,實(shí)際電容器的特性,ZC,實(shí)際電容,理想電容,f,引線長1.6mm的陶瓷電容器,1/2 LC,C,L,第 77 頁,陶瓷電容諧振頻率,1nf,1M,100k,10,1,0.1,10k,1k,100,10Hz 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G,阻抗 ,100pf,10nf,100nf,10f,1f,10mf,100f,1m,10cm,1cm,1mm,第 78 頁,溫度對(duì)陶瓷電容容量的影響,0.15,-0.15,0,-55,125,5,-15,0,-55,125,-10,-5,COG,X7R,-60,20,-30,90,-30,0,Y5V,30,%C,%C,%C,第 79 頁,電壓對(duì)陶瓷電容容量的影響,COG,X7R,Y5V,20,0,-20,-40,-60,-80,0 20 40 60 80 100 %額定電壓（Vdc）,%C,第 80 頁,實(shí)際電感器的特性,ZL,理想電感,實(shí)際電感,f,繞在鐵粉芯上的電感,1/2 LC,L,C,第 81 頁,電感寄生電容的來源,每圈之間的電容 CTT 導(dǎo)線與磁芯之間的電容CTC,磁芯為導(dǎo)體時(shí)，CTC為主要因素， 磁芯為非導(dǎo)體時(shí)，CTT為主要因素。,第 82 頁,克服電容非理想性的方法,衰減,電容并聯(lián) LC并聯(lián) 電感并 聯(lián),小電容,大電容,并聯(lián)電容,頻率,大容量,小容量,第 83 頁,三端電容器的原理,引線電感與電容一起構(gòu)成了一個(gè)T形低通濾波器 在引線上安裝兩個(gè)磁珠濾波效果更好,地線電感起著不良作用,三端電容,普通電容,30 70 1GHz,20,60,40,第 84 頁,三端電容的正確使用,接地點(diǎn)要求： 1 干凈地 2 與機(jī)箱或其它較大 的金屬件射頻搭接,第 85 頁,三端電容器的不足,寄生電容造成輸入端、輸出端耦合,接地電感造成旁路效果下降,第 86 頁,穿心電容更勝一籌,金屬板隔離輸入輸出端,一周接地電感很小,第 87 頁,穿心電容、饋通濾波器,以穿心電容為基礎(chǔ)的饋通濾波器,第 88 頁,饋通濾波器使用注意事項(xiàng),必須安裝在金屬板上，并在一周接地 最好焊接，螺紋安裝時(shí)要使用帶齒墊片 焊接時(shí)間不能過長 上緊螺紋時(shí)扭矩不能過大,第 89 頁,線路板上使用饋通濾波器,線路板地線面,上面,底面,第 90 頁,減小電感寄生電容的方法,然后： 起始端與終止端遠(yuǎn)離（夾角大于40度） 盡量單層繞制，并增加匝間距離 多層繞制時(shí)， 采用“漸進(jìn)”方式繞，不要來回繞 分組繞制 （要求高時(shí)，用大電感和小電感串聯(lián)起來使用）,如果磁芯是導(dǎo)體，首先： 用介電常數(shù)低的材料增加繞組導(dǎo)體與磁芯之間的距離,第 91 頁,共模扼流圈,共模扼流圈中的負(fù)載電流產(chǎn)生的磁場相互抵銷，因此磁芯不會(huì)飽和。,第 92 頁,電感磁芯的選用,鐵粉磁芯：不易飽和、導(dǎo)磁率低，作差模扼流圈的磁芯,鐵氧體：最常用,錳鋅：r = 500 10000，R = 0.1100m,鎳鋅：r = 10 100，R = 1k 1Mm,超微晶：r 10000，做大電感量共模扼流圈的磁心,第 93 頁,干擾抑制用鐵氧體,Z = jL + R,R,Z,L,R(f),1MHz 10MHz 100MHz