電磁干擾防護與解決方案

電磁干擾防護與解決方案引言隨著電子技術(shù)在各個領(lǐng)域的迅速發(fā)展，空間電磁環(huán)境日益復(fù)雜，電磁干擾（EMI）已嚴(yán)重威脅各類電子系統(tǒng)的安全。武器裝備的電子系統(tǒng)（圖1）要在復(fù)雜的電磁環(huán)境中保持高可靠性，必須具備抗電磁干擾的能力。就一個電子系統(tǒng)而言，各種干擾（圖2）在接口處最為嚴(yán)重，必須在設(shè)計時將其消除，因此電子設(shè)備和系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是電磁兼容性（EMC）。電磁干擾分為輻射型干擾和傳導(dǎo)型干擾。通過接地、屏蔽等方法能抑制輻射干擾，消除傳導(dǎo)干擾則需要采用濾波方法。濾波器由電感和電容組成的低通濾波電路所構(gòu)成，其原理根據(jù)使用濾波元件不同分為兩種：一是利用電容通高頻阻低頻的特性，將高頻干擾電流導(dǎo)入地線；二是利用干擾抑制鐵氧體可將一定頻段的干擾信號吸收轉(zhuǎn)化為熱量的特性，選擇合適的干擾抑制鐵氧體磁環(huán)或磁珠消除干擾。濾波器工作時根據(jù)系統(tǒng)的需要，利用濾波組件對信號頻率特性傳輸?shù)奶攸c，有選擇地對系統(tǒng)信號進行傳輸。通常情況是傳遞低頻工作信號，同時對高頻干擾信號有較大的衰減，從而降低干擾信號對系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)正常工作。根據(jù)要濾除的干擾信號的頻率與工作頻率的相對關(guān)系，干擾濾波器有低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等種類。低通濾波器是最常用的一種，一般電源濾波器、饋通濾波器濾和濾波電連接器都屬于低通濾波器。電磁兼容的內(nèi)容電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備提出兩個方面要求，首先不能向空間環(huán)境發(fā)射過強的電磁能量，其次在對環(huán)境中的電磁干擾有一定的耐受能力。電源濾波器的作用電源濾波器的作用是使設(shè)備能夠滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中對傳導(dǎo)發(fā)射和傳導(dǎo)敏感度的要求，既能防止電網(wǎng)上的干擾進入設(shè)備對設(shè)備產(chǎn)生不良影響，使設(shè)備滿足傳導(dǎo)敏感度的要求；又能防止設(shè)備內(nèi)的電磁干擾通過電源線傳到電網(wǎng)上，使設(shè)備滿足傳導(dǎo)發(fā)射的要求，即解決電磁兼容中CE102和CS101等問題。能夠產(chǎn)生較強干擾的設(shè)備和對外界干擾敏感的設(shè)備都要使用電源濾波器。能夠產(chǎn)生強干擾的設(shè)備有：含有脈沖電路（微處理器）的設(shè)備、使用開關(guān)電源的設(shè)備、使用可控硅的設(shè)備、變頻調(diào)速設(shè)備、含有電機的設(shè)備等。敏感電路如：使用微處理器的設(shè)備、小信號模擬電路等。電源濾波器的基本原理電源濾波器是由電感和電容組成的低通濾波電路所構(gòu)成，它允許直流或交流電流通過，對頻率較高的干擾信號則有較大的衰減，由于干擾信號有差模和共模兩種，因此電源線濾波器要對這兩種干擾都具有衰減作用，濾波器的基本電路如圖6所示。圖6中，Cy1、Cy2是濾除共模干擾用的電容，一般稱為Y電容（共模電容），而Cx1、Cx2的作用是濾除差模干擾信號，一般稱為X電容（差模電容），Lcm是共模電感，一般繞制成共模扼流圈的形式，主要用于消除共模干擾。共模扼流圈的繞法如圖7所示，從圖中可以看出，當(dāng)負載電流流過共模扼流圈時，串聯(lián)在火線上的線圈所產(chǎn)生的磁力線和串聯(lián)在零線上的線圈所產(chǎn)生的磁力線方向相反，它們在磁芯中相互抵消：因此即使在大負載電流的情況下，磁芯也不飽和。而對于共模干擾電流，兩個線圈產(chǎn)生的磁場是同方向的，會有較大的電感，從而起到衰減干擾信號的作用。濾波連接器的作用濾波連接器的主要作用是解決空間電磁干擾問題，例如設(shè)備向空間輻射較強電磁干擾，或者設(shè)備對空間的電磁干擾敏感等問題，即RE102，如圖8。濾波電連接器應(yīng)用電容高頻阻抗低、電感高頻阻抗高的特性，把干擾信號旁路到連接器外殼（地）或電感內(nèi)部發(fā)熱吸收，減小電纜輻射發(fā)射，實現(xiàn)對設(shè)備的電磁保護。每一根進出設(shè)備的信號線本身就是一條效率很高的輻射和接收天線，它造成的危害如下：1）造成很強的超標(biāo)輻射：機箱內(nèi)的電磁能量在電纜上感應(yīng)出共模電壓和電流，共模電流在電纜上流動產(chǎn)生了共模輻射。這種輻射往往是設(shè)備產(chǎn)生超標(biāo)輻射的主要原因。2）設(shè)備周圍環(huán)境空間中的電磁能量被電纜接收到后，形成共模電流，沿著導(dǎo)線傳進機箱，一方面對與電纜直接連接的電路產(chǎn)生干擾，另一方面借助導(dǎo)線再次輻射，對機箱內(nèi)的其它電路（沒有直接與電纜連接的電路）造成干擾。3）造成屏蔽體或隔離層被破壞，產(chǎn)生這種作用的原因也是電纜的對電磁波接收和再次輻射，導(dǎo)致電磁能量通過電纜泄露，從現(xiàn)象上看就是屏蔽體的屏蔽效能降低。理論和實驗均表明：設(shè)備上的電纜是電磁兼容上最薄弱的環(huán)節(jié)。濾波連接器的作用就是解決上述三個方面的問題。下面的結(jié)論是十分重要的。任何穿過屏蔽體或隔離體的導(dǎo)線或電纜都會破壞原有的屏蔽效果和隔離效果，對這些導(dǎo)線，必須采取濾波措施。濾波連接器以共模濾波為主，這是因為電纜上感應(yīng)的電流一般都是共模形式的，而對信號電纜上傳輸?shù)牟钅Ｐ盘?，希望不產(chǎn)生任何影響。饋通濾波器(穿心電容器)的作用由于電路的工作頻率和周圍環(huán)境中的電磁干擾頻率越來越高，將濾波器安裝在線路板上所暴露出的高頻濾波不足的問題日益突出。解決高頻濾波的根本方法是使用饋通型濾波器。饋通濾波器安裝在金屬面板上，具有很低的接地阻抗，并且利用金屬面板隔離濾波器的輸入和輸出，因此饋通濾波器是解決電磁干擾的理想器件，它可以有效地消除整機內(nèi)部各模塊之間的電磁干擾問題。饋通濾波器的使用方法有以下三種：1）安裝在屏蔽體（屏蔽盒、屏蔽機箱等）的面板上，這是最基本的使用方法，當(dāng)有導(dǎo)線要穿過屏蔽體時，就需要在屏蔽體的面板上安裝饋通濾波器，使導(dǎo)線通過饋通濾波器穿過屏蔽體。2）安裝在線路板的地線層上在多層線路板上，可以利用線路板的地線層做隔離層和接地層。3）安裝在電路之間的隔離板上平板濾波器是饋通濾波器的延伸。當(dāng)需要濾波的導(dǎo)線數(shù)量較多時，逐個焊接或安裝饋通濾波器是十分繁瑣的事，這時可使用濾波陣列板或濾波連接器，如圖12所示。濾波陣列板上的濾波器已經(jīng)由廠家使用特殊工藝焊接好，性能可靠，使用簡便。平板濾波器的一般間隔為2.54mm，因此扁平電纜的接頭可以直接插上，避免了逐根焊線的繁瑣，便于組裝。相對于濾波連接器用在機箱外部，平板濾波器一般用在機箱內(nèi)部。防雷器(SPD)的作用雷電電磁脈沖最終是以浪涌形式（即瞬態(tài)過電壓或過電流）對電子器件和設(shè)備產(chǎn)生破壞作用的，因此對其防護應(yīng)采用浪涌保護器件（SurgeProtectionDevice，SPD）進行分流和限壓，主要采用火花間隙、氣體放電管、壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管，通過他們的合理搭配構(gòu)成完成的浪涌保護器（防雷器）。它的主要作用是分流和限壓，把設(shè)備外部的雷電電磁脈沖導(dǎo)入地，防止設(shè)備內(nèi)部的電路和精密器件受損，提高設(shè)備在各種惡劣電磁環(huán)境下的生存能力。應(yīng)用指南基本概念電磁干擾：天然的或人為產(chǎn)生的電磁能量，它通過傳導(dǎo)或輻射兩種途徑作用在電子設(shè)備上，使它產(chǎn)生非有用信號（干擾）效應(yīng)、誤動作、甚至被徹底破壞。插入損耗（IL）：濾波器（濾波連接器）沒有接入線路時和接入線路后由源傳送給負載的功率之比，通常以分貝來表示：式中P1和P2分別表示濾波器接入線路前后，從源傳給負載的功率。用濾波器接入前后的端口電壓V1和V2的比來表示，即為最大失配原則：濾波器是一種雙向無源網(wǎng)絡(luò)。它的一段是“源”，另一端是“負載”。在所關(guān)心的衰減頻帶內(nèi)，可把濾波器看作是“阻抗失配網(wǎng)絡(luò)”。網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果表明，濾波器阻抗失配越大，對電磁干擾能量的衰減就越是有效，這就是“最大失配原則”，因此，在濾波器的選擇和使用中，應(yīng)使得電路高阻抗端接濾波器低阻端，電路低阻抗端接濾波器高阻端。最大持續(xù)運行電壓Uc：防雷器（SPD）在運行中能持久耐受的最大直流電壓或工頻電壓有效值。第Ⅰ類試驗用沖擊電流：用于劃分進行第Ⅰ類試驗的防雷器（SPD）的等級。其波形一般由電流峰值和電荷量來確定。它用于第Ⅰ類試驗的動作負載試驗。為明確起見，limp通過10/350μs電流波形和峰值Ipeak來表征。標(biāo)稱放電電流In：用于劃分進行第Ⅱ類試驗的防雷器（SPD）等級的、具有8/20μs波形的放電電流峰值。它用于第Ⅰ類和第Ⅱ類試驗的預(yù)備性試驗。最大放電電流（沖擊通流容量）Imax：防雷器（SPD）不發(fā)生實質(zhì)性破壞，能通過8/20μs波形的放電電流峰值。它用于第Ⅱ類試驗的負載動作試驗。Imax大于In。殘壓Ures：當(dāng)放電電流通過時防雷器（SPD）端子間的電壓峰值。限制電壓：施加規(guī)定波形、幅值和次數(shù)的沖擊時，在防雷器（SPD）端子間測得的殘壓的最大值。等級限制電壓Ub：用于考核和比較限壓特性的防雷器（SPD）電涌抑制能力的一個基本參數(shù)。本標(biāo)準(zhǔn)中，用規(guī)定幅值的防雷器（SPD）分類等級測試電流（IB，其波形為8/20μs）沖擊時的限制電壓值表示。電壓保護水平Up：表征防雷器（SPD）電涌抑制能力的一個參數(shù)。它從規(guī)定的優(yōu)選值系列中選取。濾波電路選擇C型濾波電路C型濾波電路由穿心電容器（貼片電容器）構(gòu)成，適合于接高阻抗源和高阻抗負載，多用于抑制高頻信號。L型濾波電路L型濾波電路包括一個電感器和一個電容器，這種濾波器可以提供高的輸入阻抗，也可以提供低的輸入阻抗，取決于電路的安裝方向，L1電路適用于高阻抗負載，低阻抗源的情況，L2電路適用于低阻抗負載，高阻抗源的情況。Π型濾波電路π型濾波器包括兩個電容器和一個電感器，其輸入和輸出端都是低阻抗，因為元件比L型多，所以其插入損耗特性更好，但是在開關(guān)電路中，有出“振鈴”的可能性，所以使用時請注意。T型濾波電路T型濾波器包括兩個電感器和一個電容器，它的兩端都是高阻抗，其插入損耗特性和π型濾波器相似，但是不易出現(xiàn)“振鈴”現(xiàn)象，可以用在開關(guān)電。插入損耗參數(shù)濾波器的最主要參數(shù)是插入損耗，它反映了濾波去對干擾信號的抑制能力。各種EMI濾波器都有各自對應(yīng)的衰減與頻率曲線，選用濾波器時應(yīng)根據(jù)干擾信號的頻率以及所要衰減的程度和截止頻率確定插入損耗的要求。濾波連接器和饋通濾波器的插入損耗只有共模插入損耗，各濾波頻段的共模插入損耗詳見附錄A。而電源濾波器的插入損耗分為差模插入損耗（DM）和共模插入損耗（CM）。截止頻率濾波器的插入損耗在3dB的頻率電稱為濾波器的截止頻率。濾波器的截止頻率必須高于各接觸件上要求傳輸?shù)男盘栴l率。當(dāng)頻率超過截止頻率時，濾波器就進入了阻帶區(qū)，在阻帶區(qū)電磁干擾信號會受到較大的衰減，為保證所需要的頻率信號順利通過，不需要的頻率信號被抑制，必須選擇好濾波器的截止頻率。要對某個信號進行濾波，應(yīng)該在比該信號的運行頻率高出10倍的頻率開始濾波。一般來說，濾波器的截止頻率越低，外形尺寸越大，價格也越高，因此不能盲目選擇截止頻率過低的濾波器，但電源濾波器主要是針對CE102的，其測試條件為10kHz～10MHz，要求電源濾波器的介質(zhì)頻率僅可能低，最好是低于10kHz。工作電壓濾波器的工作電壓為濾波器在工作溫度范圍內(nèi)正常工作時能夠長時間承受的電壓。此外還需要正確選擇交、直流濾波器，不能相互代用，特別是在交流應(yīng)用場合決不允許使用直流濾波器替代，否則濾波器將失效甚至損壞。由于幾乎所有的電磁兼容試驗都有脈沖干擾項目，選用濾波器時要考慮這種高壓脈沖干擾的作用，工作電壓或者耐電壓要留有一定的余量。工作電流濾波器的工作電流為濾波器在工作溫度范圍內(nèi)正常工作時能夠長時間通過的電流。工作電流與濾波器的引線直徑有關(guān)，引線直徑的大小與工作電流基本上成正比。需要注意的是含繞線電感的濾波器，其承受的電流都比較小，原因在于磁性材料易于飽和及線徑較細。選用時需考慮工作電流要留有一定的余量。工作溫度濾波器能保證預(yù)訂電性能和正常工作的環(huán)境溫度范圍即為其工作溫度范圍，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，溫度范圍一般有：-25℃～+85℃、-40℃～+85℃、-55℃～+85℃、-55℃～+125℃。由于濾波器內(nèi)部使用的是陶瓷介質(zhì)電容器，因而在很大程度上陶瓷介質(zhì)材料的溫度特性決定了濾波器的工作溫度范圍。此外還涉及到溫度系數(shù)的概念，即為在陶瓷介材料的溫度特性下電容量隨溫度的變化率。安裝方法輸入線盡量短：對于濾波連接器和饋通濾波器，由于都是集成化設(shè)計，其輸入線的問題都很短，對于電源濾波器理想的作法是采用集成的電源濾波器，將輸入插座和電源濾波模塊集成為一個連續(xù)的屏蔽體，如圖1。如果濾波器的電源輸入端導(dǎo)線過長，其后果是電網(wǎng)上的干擾進入設(shè)備后，還沒有經(jīng)過濾波器，就通過空間耦合到線路板上，對電路造成干擾。而設(shè)備內(nèi)部的干擾會直接感應(yīng)到電源線上，傳出設(shè)備，如圖2。濾波器輸入線與輸出線相互隔離：圖3中，濾波器的輸入線和輸出線捆扎在一起。這樣高頻干擾信號實際會通過輸入線和輸出線直接發(fā)生耦合，而將濾波器旁路掉。內(nèi)部接線都應(yīng)盡量短，以免在線上耦合干擾，尤其要避免非屏蔽引線過長且暴露在強的電磁場中。要注意信號線對電源線電纜的影響：由于電源線和信號電纜通常安裝在一塊面板上，因此電源線與信號電纜之間的耦合是不可避免的。這時，盡管電源線經(jīng)過精心處理，完全沒有問題，但是在測量時會出現(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)的現(xiàn)象。這種干擾實際是從信號電纜上耦合過來的，如果不對信號電纜進行處理，傳導(dǎo)發(fā)射是無法達標(biāo)的。實際上，當(dāng)信號電纜上有較強的傳導(dǎo)干擾時，還會導(dǎo)致設(shè)備的輻射發(fā)射超標(biāo)。因此，遇到這種情況，一定要對信號電纜采取措施，如采取屏蔽或在接口處使用濾波器或濾波連接器。濾波接地良好濾波器外殼必須“接地”，即必須接金屬機箱，只有當(dāng)共模電容接地時，才能夠?qū)⒕€路上的共模干擾旁路掉；同時為了對高頻信號有效旁路作用，要求電容的引線越短越好。當(dāng)濾波器沒有接地時，電路中的共模濾波電容實際是不起作用的。即必須與設(shè)備金屬殼體地接觸良好可靠，接觸部位必須為導(dǎo)電良好的平面，并在接觸面上使用電磁密封襯墊，利用設(shè)備外殼實現(xiàn)隔離，保證接地良好。鎖緊：對于螺裝式饋通濾波器（穿心電容器），為了安裝時不損傷濾波器內(nèi)部器件，應(yīng)采用專用帶扭矩刻度的工具安裝，其安裝扭力矩要求（見表1）。使用方法1）為保證濾波連接器的可靠性，焊板：波峰焊，焊接溫度應(yīng)不超過260℃，焊接時間為10s±2s，手工焊時：筆形烙鐵（建議不超過60W），烙鐵溫度360