电磁干扰防护与解决方案

电磁干扰防护与解决方案引言随着电子技术在各个领域的迅速发展，空间电磁环境日益复杂，电磁干扰（EMI）已严重威胁各类电子系统的安全。武器装备的电子系统（图1）要在复杂的电磁环境中保持高可靠性，必须具备抗电磁干扰的能力。就一个电子系统而言，各种干扰（图2）在接口处最为严重，必须在设计时将其消除，因此电子设备和系统的关键技术是电磁兼容性（EMC）。电磁干扰分为辐射型干扰和传导型干扰。通过接地、屏蔽等方法能抑制辐射干扰，消除传导干扰则需要采用滤波方法。滤波器由电感和电容组成的低通滤波电路所构成，其原理根据使用滤波元件不同分为两种：一是利用电容通高频阻低频的特性，将高频干扰电流导入地线；二是利用干扰抑制铁氧体可将一定频段的干扰信号吸收转化为热量的特性，选择合适的干扰抑制铁氧体磁环或磁珠消除干扰。滤波器工作时根据系统的需要，利用滤波组件对信号频率特性传输的特点，有选择地对系统信号进行传输。通常情况是传递低频工作信号，同时对高频干扰信号有较大的衰减，从而降低干扰信号对系统的影响，保证系统正常工作。根据要滤除的干扰信号的频率与工作频率的相对关系，干扰滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等种类。低通滤波器是最常用的一种，一般电源滤波器、馈通滤波器滤和滤波电连接器都属于低通滤波器。电磁兼容的内容电磁兼容标准对设备提出两个方面要求，首先不能向空间环境发射过强的电磁能量，其次在对环境中的电磁干扰有一定的耐受能力。电源滤波器的作用电源滤波器的作用是使设备能够满足电磁兼容标准中对传导发射和传导敏感度的要求，既能防止电网上的干扰进入设备对设备产生不良影响，使设备满足传导敏感度的要求；又能防止设备内的电磁干扰通过电源线传到电网上，使设备满足传导发射的要求，即解决电磁兼容中CE102和CS101等问题。能够产生较强干扰的设备和对外界干扰敏感的设备都要使用电源滤波器。能够产生强干扰的设备有：含有脉冲电路（微处理器）的设备、使用开关电源的设备、使用可控硅的设备、变频调速设备、含有电机的设备等。敏感电路如：使用微处理器的设备、小信号模拟电路等。电源滤波器的基本原理电源滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成，它允许直流或交流电流通过，对频率较高的干扰信号则有较大的衰减，由于干扰信号有差模和共模两种，因此电源线滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用，滤波器的基本电路如图6所示。图6中，Cy1、Cy2是滤除共模干扰用的电容，一般称为Y电容（共模电容），而Cx1、Cx2的作用是滤除差模干扰信号，一般称为X电容（差模电容），Lcm是共模电感，一般绕制成共模扼流圈的形式，主要用于消除共模干扰。共模扼流圈的绕法如图7所示，从图中可以看出，当负载电流流过共模扼流圈时，串联在火线上的线圈所产生的磁力线和串联在零线上的线圈所产生的磁力线方向相反，它们在磁芯中相互抵消：因此即使在大负载电流的情况下，磁芯也不饱和。而对于共模干扰电流，两个线圈产生的磁场是同方向的，会有较大的电感，从而起到衰减干扰信号的作用。滤波连接器的作用滤波连接器的主要作用是解决空间电磁干扰问题，例如设备向空间辐射较强电磁干扰，或者设备对空间的电磁干扰敏感等问题，即RE102，如图8。滤波电连接器应用电容高频阻抗低、电感高频阻抗高的特性，把干扰信号旁路到连接器外壳（地）或电感内部发热吸收，减小电缆辐射发射，实现对设备的电磁保护。每一根进出设备的信号线本身就是一条效率很高的辐射和接收天线，它造成的危害如下：1）造成很强的超标辐射：机箱内的电磁能量在电缆上感应出共模电压和电流，共模电流在电缆上流动产生了共模辐射。这种辐射往往是设备产生超标辐射的主要原因。2）设备周围环境空间中的电磁能量被电缆接收到后，形成共模电流，沿着导线传进机箱，一方面对与电缆直接连接的电路产生干扰，另一方面借助导线再次辐射，对机箱内的其它电路（没有直接与电缆连接的电路）造成干扰。3）造成屏蔽体或隔离层被破坏，产生这种作用的原因也是电缆的对电磁波接收和再次辐射，导致电磁能量通过电缆泄露，从现象上看就是屏蔽体的屏蔽效能降低。理论和实验均表明：设备上的电缆是电磁兼容上最薄弱的环节。滤波连接器的作用就是解决上述三个方面的问题。下面的结论是十分重要的。任何穿过屏蔽体或隔离体的导线或电缆都会破坏原有的屏蔽效果和隔离效果，对这些导线，必须采取滤波措施。滤波连接器以共模滤波为主，这是因为电缆上感应的电流一般都是共模形式的，而对信号电缆上传输的差模信号，希望不产生任何影响。馈通滤波器(穿心电容器)的作用由于电路的工作频率和周围环境中的电磁干扰频率越来越高，将滤波器安装在线路板上所暴露出的高频滤波不足的问题日益突出。解决高频滤波的根本方法是使用馈通型滤波器。馈通滤波器安装在金属面板上，具有很低的接地阻抗，并且利用金属面板隔离滤波器的输入和输出，因此馈通滤波器是解决电磁干扰的理想器件，它可以有效地消除整机内部各模块之间的电磁干扰问题。馈通滤波器的使用方法有以下三种：1）安装在屏蔽体（屏蔽盒、屏蔽机箱等）的面板上，这是最基本的使用方法，当有导线要穿过屏蔽体时，就需要在屏蔽体的面板上安装馈通滤波器，使导线通过馈通滤波器穿过屏蔽体。2）安装在线路板的地线层上在多层线路板上，可以利用线路板的地线层做隔离层和接地层。3）安装在电路之间的隔离板上平板滤波器是馈通滤波器的延伸。当需要滤波的导线数量较多时，逐个焊接或安装馈通滤波器是十分繁琐的事，这时可使用滤波阵列板或滤波连接器，如图12所示。滤波阵列板上的滤波器已经由厂家使用特殊工艺焊接好，性能可靠，使用简便。平板滤波器的一般间隔为2.54mm，因此扁平电缆的接头可以直接插上，避免了逐根焊线的繁琐，便于组装。相对于滤波连接器用在机箱外部，平板滤波器一般用在机箱内部。防雷器(SPD)的作用雷电电磁脉冲最终是以浪涌形式（即瞬态过电压或过电流）对电子器件和设备产生破坏作用的，因此对其防护应采用浪涌保护器件（SurgeProtectionDevice，SPD）进行分流和限压，主要采用火花间隙、气体放电管、压敏电阻、瞬态抑制二极管，通过他们的合理搭配构成完成的浪涌保护器（防雷器）。它的主要作用是分流和限压，把设备外部的雷电电磁脉冲导入地，防止设备内部的电路和精密器件受损，提高设备在各种恶劣电磁环境下的生存能力。应用指南基本概念电磁干扰：天然的或人为产生的电磁能量，它通过传导或辐射两种途径作用在电子设备上，使它产生非有用信号（干扰）效应、误动作、甚至被彻底破坏。插入损耗（IL）：滤波器（滤波连接器）没有接入线路时和接入线路后由源传送给负载的功率之比，通常以分贝来表示：式中P1和P2分别表示滤波器接入线路前后，从源传给负载的功率。用滤波器接入前后的端口电压V1和V2的比来表示，即为最大失配原则：滤波器是一种双向无源网络。它的一段是“源”，另一端是“负载”。在所关心的衰减频带内，可把滤波器看作是“阻抗失配网络”。网络分析结果表明，滤波器阻抗失配越大，对电磁干扰能量的衰减就越是有效，这就是“最大失配原则”，因此，在滤波器的选择和使用中，应使得电路高阻抗端接滤波器低阻端，电路低阻抗端接滤波器高阻端。最大持续运行电压Uc：防雷器（SPD）在运行中能持久耐受的最大直流电压或工频电压有效值。第Ⅰ类试验用冲击电流：用于划分进行第Ⅰ类试验的防雷器（SPD）的等级。其波形一般由电流峰值和电荷量来确定。它用于第Ⅰ类试验的动作负载试验。为明确起见，limp通过10/350μs电流波形和峰值Ipeak来表征。标称放电电流In：用于划分进行第Ⅱ类试验的防雷器（SPD）等级的、具有8/20μs波形的放电电流峰值。它用于第Ⅰ类和第Ⅱ类试验的预备性试验。最大放电电流（冲击通流容量）Imax：防雷器（SPD）不发生实质性破坏，能通过8/20μs波形的放电电流峰值。它用于第Ⅱ类试验的负载动作试验。Imax大于In。残压Ures：当放电电流通过时防雷器（SPD）端子间的电压峰值。限制电压：施加规定波形、幅值和次数的冲击时，在防雷器（SPD）端子间测得的残压的最大值。等级限制电压Ub：用于考核和比较限压特性的防雷器（SPD）电涌抑制能力的一个基本参数。本标准中，用规定幅值的防雷器（SPD）分类等级测试电流（IB，其波形为8/20μs）冲击时的限制电压值表示。电压保护水平Up：表征防雷器（SPD）电涌抑制能力的一个参数。它从规定的优选值系列中选取。滤波电路选择C型滤波电路C型滤波电路由穿心电容器（贴片电容器）构成，适合于接高阻抗源和高阻抗负载，多用于抑制高频信号。L型滤波电路L型滤波电路包括一个电感器和一个电容器，这种滤波器可以提供高的输入阻抗，也可以提供低的输入阻抗，取决于电路的安装方向，L1电路适用于高阻抗负载，低阻抗源的情况，L2电路适用于低阻抗负载，高阻抗源的情况。Π型滤波电路π型滤波器包括两个电容器和一个电感器，其输入和输出端都是低阻抗，因为元件比L型多，所以其插入损耗特性更好，但是在开关电路中，有出“振铃”的可能性，所以使用时请注意。T型滤波电路T型滤波器包括两个电感器和一个电容器，它的两端都是高阻抗，其插入损耗特性和π型滤波器相似，但是不易出现“振铃”现象，可以用在开关电。插入损耗参数滤波器的最主要参数是插入损耗，它反映了滤波去对干扰信号的抑制能力。各种EMI滤波器都有各自对应的衰减与频率曲线，选用滤波器时应根据干扰信号的频率以及所要衰减的程度和截止频率确定插入损耗的要求。滤波连接器和馈通滤波器的插入损耗只有共模插入损耗，各滤波频段的共模插入损耗详见附录A。而电源滤波器的插入损耗分为差模插入损耗（DM）和共模插入损耗（CM）。截止频率滤波器的插入损耗在3dB的频率电称为滤波器的截止频率。滤波器的截止频率必须高于各接触件上要求传输的信号频率。当频率超过截止频率时，滤波器就进入了阻带区，在阻带区电磁干扰信号会受到较大的衰减，为保证所需要的频率信号顺利通过，不需要的频率信号被抑制，必须选择好滤波器的截止频率。要对某个信号进行滤波，应该在比该信号的运行频率高出10倍的频率开始滤波。一般来说，滤波器的截止频率越低，外形尺寸越大，价格也越高，因此不能盲目选择截止频率过低的滤波器，但电源滤波器主要是针对CE102的，其测试条件为10kHz～10MHz，要求电源滤波器的介质频率仅可能低，最好是低于10kHz。工作电压滤波器的工作电压为滤波器在工作温度范围内正常工作时能够长时间承受的电压。此外还需要正确选择交、直流滤波器，不能相互代用，特别是在交流应用场合决不允许使用直流滤波器替代，否则滤波器将失效甚至损坏。由于几乎所有的电磁兼容试验都有脉冲干扰项目，选用滤波器时要考虑这种高压脉冲干扰的作用，工作电压或者耐电压要留有一定的余量。工作电流滤波器的工作电流为滤波器在工作温度范围内正常工作时能够长时间通过的电流。工作电流与滤波器的引线直径有关，引线直径的大小与工作电流基本上成正比。需要注意的是含绕线电感的滤波器，其承受的电流都比较小，原因在于磁性材料易于饱和及线径较细。选用时需考虑工作电流要留有一定的余量。工作温度滤波器能保证预订电性能和正常工作的环境温度范围即为其工作温度范围，按照相关标准，温度范围一般有：-25℃～+85℃、-40℃～+85℃、-55℃～+85℃、-55℃～+125℃。由于滤波器内部使用的是陶瓷介质电容器，因而在很大程度上陶瓷介质材料的温度特性决定了滤波器的工作温度范围。此外还涉及到温度系数的概念，即为在陶瓷介材料的温度特性下电容量随温度的变化率。安装方法输入线尽量短：对于滤波连接器和馈通滤波器，由于都是集成化设计，其输入线的问题都很短，对于电源滤波器理想的作法是采用集成的电源滤波器，将输入插座和电源滤波模块集成为一个连续的屏蔽体，如图1。如果滤波器的电源输入端导线过长，其后果是电网上的干扰进入设备后，还没有经过滤波器，就通过空间耦合到线路板上，对电路造成干扰。而设备内部的干扰会直接感应到电源线上，传出设备，如图2。滤波器输入线与输出线相互隔离：图3中，滤波器的输入线和输出线捆扎在一起。这样高频干扰信号实际会通过输入线和输出线直接发生耦合，而将滤波器旁路掉。内部接线都应尽量短，以免在线上耦合干扰，尤其要避免非屏蔽引线过长且暴露在强的电磁场中。要注意信号线对电源线电缆的影响：由于电源线和信号电缆通常安装在一块面板上，因此电源线与信号电缆之间的耦合是不可避免的。这时，尽管电源线经过精心处理，完全没有问题，但是在测量时会出现传导发射超标的现象。这种干扰实际是从信号电缆上耦合过来的，如果不对信号电缆进行处理，传导发射是无法达标的。实际上，当信号电缆上有较强的传导干扰时，还会导致设备的辐射发射超标。因此，遇到这种情况，一定要对信号电缆采取措施，如采取屏蔽或在接口处使用滤波器或滤波连接器。滤波接地良好滤波器外壳必须“接地”，即必须接金属机箱，只有当共模电容接地时，才能够将线路上的共模干扰旁路掉；同时为了对高频信号有效旁路作用，要求电容的引线越短越好。当滤波器没有接地时，电路中的共模滤波电容实际是不起作用的。即必须与设备金属壳体地接触良好可靠，接触部位必须为导电良好的平面，并在接触面上使用电磁密封衬垫，利用设备外壳实现隔离，保证接地良好。锁紧：对于螺装式馈通滤波器（穿心电容器），为了安装时不损伤滤波器内部器件，应采用专用带扭矩刻度的工具安装，其安装扭力矩要求（见表1）。使用方法1）为保证滤波连接器的可靠性，焊板：波峰焊，焊接温度应不超过260℃，焊接时间为10s±2s，手工焊时：笔形烙铁（建议不超过60W），烙铁温度360