电磁兼容设计及其应用

摘要：以实际工程中常遇到的电磁兼容问题为背景，简要地介绍了有关电磁干扰及有关抗干扰措施方面的内容。通过对接地方法、屏蔽思想和滤波手段的详细论述和独到见解，提出了系统电磁兼容的设计思想以及解决方法，并对实际工作中常见的干扰、滤波及接地等电磁兼容现象给出相应分析与解决建议。

关键词：电磁兼容；抗干扰措施；滤波手段；屏蔽；接地方法

0 引言

电磁兼容技术是一门迅速发展的交叉学科，涉及电子、计算机、通信、航空航天、铁路交通、电力、军事以至人民生活各个方面。在当今信息社会，随着电子技术、计算机技术的发展，一个系统中采用的电气及电子设备数量大大增加，而且电子设备的频带日益加宽，功率逐渐增大，灵敏度提高，联接各种设备的电缆网络也越来越复杂，因此，电磁兼容问题日显重要。

1 基本概念和术语

1．1 电磁兼容性定义
所谓电磁兼容性(EMC)是指电子线路、系统相互不影响，在电磁方面相互兼容的状态。IEEE C63．12-1987规定的电磁兼容性是指"一种器件、设备或系统的性能，它可以使其在自身环境下正常工作并且同时不会对此环境中任何其他设备产生强烈电磁干扰"。

1．2 电磁干扰三要素
一个系统或系统内某一线路受电磁干扰程度可以表示为如下关系式：

式中：G为噪声源强度；C为噪声通过某种途径传到受干扰处的耦合因素；I为受干扰设备的敏感程度。
G，C，I这三者构成电磁干扰三要素。电磁干扰抑制技术就是围绕这三要素所采取的各种措施，归纳起来就是：抑制电磁干扰源。切断电磁干扰耦合途径；降低电磁敏感装置的敏感性。

1．3 地线的阻抗与地环流
1．3．1 地线的阻抗
电阻指的是在直流状态下导线对电流呈现的阻抗，而阻抗指的是交流状态下导线对电流的阻抗，这个阻抗主要是由导线的电感引起的。如果将10 Hz时的阻抗近似认为是直流电阻，当频率达到10 MHz时，它的阻抗是直流电阻的1 000～100 000倍。因此对于射频电流，当电流流过地线时，电压降是很大的。为了减小交流阻抗，一个有效的办法是多根导线并联，以减少和地线之间的电感。当两根导线并联时，其总电感L为：

式中：L1是单根导线的电感；M是两根导线之间的互感。
1．3．2 地环流
由于地线阻抗的存在，当电流流过地线时，就会在地线上产生电压。这种干扰是由电缆与地线构成的环路电流产生的，因此成为地环路干扰，如图1所示。

图1 地环流示意图

1．4 公共阻抗干扰
1．4．1 公共阻抗耦合定义
当两个电路共用一段地线时，由于地线的阻抗，一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的影响。这样一个电路中的信号会耦合到另一个电路，这种耦合称为公共阻抗耦合，如图2所示。

图2 公共阻抗耦合示意图

1．4．2 消除公共阻抗耦合措施
消除公共阻抗耦合的途径有两个，一个是减小公共地线部分的阻抗，另一个方法是通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线，一般要避免强电电路和弱电电路共用地线，数字电路和模拟电路共用地线。

2 电磁干扰的抑制方法

电磁干扰的抑制方法很多，基本方法有三种，即接地、屏蔽和滤波。每种方法在电路与系统的设计中各有独特作用，但在使用上又是相互关联。如良好的接地可降低设备对屏蔽和滤波的要求，而良好的屏蔽也能降低对滤波的要求。

2．1 接地
接地从表面上看是十分简单的事情，实际上是最难的技术。造成这种情况的原因是对于接地没有一个很系统的理论或模型，因此接地设计在很大程度上依赖设计师的直觉，依赖他对"接地"这个概念的理解程度和经验。

2．1．1 接地的分类
根据使用功能的不同，可以把接地分成如下几种形式：
(1)安全接地：使用交流电的设备必须通过黄绿色安全地线接地，否则当设备内的电源与机壳之间的绝缘电阻变小时，会因为漏电而导致电击伤害。
(2)雷电接地：设施的雷电保护系统是一个独立系统，由避雷针、下导体和与接地系统相连的接头组成。该接地系统通常与安全接地接在一起。雷电放电接地仅对设施而言，设备没有这个要求。
(3)电磁兼容接地：出于电磁兼容设计而要求的接地，包括：
屏蔽接地  为了防止由电路之间的寄生电容产生的相互干扰，必须进行隔离和屏蔽，用于隔离和屏蔽的金属必须接地。
滤波器接地  滤波器中一般都包含信号线或电源线到地的旁路电容，当滤波器不接地时，这些电容就处于悬浮状态，起不到旁路的作用。
噪声和干扰抑制  对内部噪声和外部干扰的控制，应将设备或系统上的某些点与地相连，从而为干扰信号提供"最低阻抗"通道。
电路参考  电路之间信号要正确传输，必须有一个公共电位参考点，这个公共电位参考点就是地。因此所有互相连接的电路必须接地。
一般在设计要求时仅明确安全和雷电防护接地的要求，其他均隐含在用户对系统或设备的电磁兼容要求中。