浅析电磁干扰的抑制在产品设计中的应用

2014-10-21 19:53薛蒙李洪烈赵冬梅
科学时代·下半月 2014年12期
关键词:电磁干扰产品设计

薛蒙 李洪烈 赵冬梅

【摘 要】本文通过介绍电磁干扰产生的三要素,分析了三要素如何具体在产品设计中进行有效应用,得出如何抑制电磁干扰的结论。

【关键词】电磁干扰(EM I);产品设计

1 概述

随着电子技术的发展,机载电子设备不断增多,发射功率不断增大,其工作的电磁环境也越来越恶劣,电磁干扰(EMI)越来越严重。

事实上,电磁干扰已使民航系统失效、通信不畅、计算机运行错误、自控设备误动作等,甚至危急人身安全。产品装机后调整,以达到相关技术指标是越来越困难的。因此,加强电磁性(EMC),EMI抑制技术,已成为设计人员在系统及分机设计时不得不考虑的问题。

据资料介绍,对于电磁容性(EMC)技术的研究,国外是从本世纪三十年代开始的,一些国家和国际组织如美国联邦通信委员会(FCC),德国电器电子工程师协会(VDE)、国际无线电干扰特别委员会(CISPR)等先后制定了一些指导性文件和规程,目前已形成一套较完整的体系,并得到严格遵守,美国计算机业即全面执行FCC规程。我国电磁兼容性工作起步较晚,相关标准自八十年代才陆续出台,应用方面则由于缺乏经验和技术而举步艰难。

2 分析与应用

电磁兼容性是指电子线路、系统相互不影响,在电磁方面相互兼容的状态。

电磁干扰是指由外部噪声和无用电磁波在接收中所造成的干扰。

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:

N=G*C/I

G:噪声源强度;C:噪声通过某种途径传到受干扰处的耦合因素;I:受干扰电路的敏感程度。

从关系式中可以看出G、C、I这三者构成电磁干扰三要素。若要有效对电磁干扰进行抑制,就应该围绕这三要素,采取相应措施减小干扰,即抑制电磁干扰源、切断电磁干扰耦合途径、降低电磁敏感装置的敏感性。

下面就这三方面如何具体在产品设计中进行有效应用,分析如下:

(1)确定并抑制干扰源

要想掏干干扰源,首先必须确定何处是干扰源,并在越靠近干扰远的地方采取措施,抑制效果才会越好。一般来说,电流电压巨变即di/dt或du/dt大的地方就是干扰源。具体来说继电器开合、电容充电、电机运转、集成电路开关工作等都可能成为干扰源。另外,军用115V/400HZ电源也并非理想的400HZ正弦波,而是充满各种频率噪声,是个人不可忽视的干扰源。

针对以上干扰源,可采用的抑制方法有:先用电路时尽可能采用低噪声电路、瞬态抑制电路、旋转装置抑制电路、稳压电路等。

器件的选择尽可能采用低噪声、高频特性好、稳定性高的电子元件。应当注意,抑制电路中若使用不适当的器件可能会产生新的干扰源。

(2)切断电磁干扰耦合途径

电磁干扰耦合途径主要为传导和辐射两种。噪声经导线直接耦合到电路中最常见的。抑制传导干扰的主要措施是串接滤波器。滤波器分为低通(LPF)、高通(HPE)、带通(BPF)、带阻(BEF)四种,根据信号与噪声频率的差别选择不同类型的滤波器。如果噪声频率远高于信号频率,常采用LC低通滤波器,这种滤波器结构简单,滤除噪声效果也较好。

但是对于军用或TEMPEST技术以及要求较高的民用产品,则必须采用穿心式滤波器。穿心式滤波器(Feed- thruFilters)也称为穿越式滤波器,电路结构有C型、T型和LC型,其特点在于高频特性优良,可工作在1GHz以上。这是其“同轴”性质决定的,由于它无寄生电感,提高了自谐频率。穿心式滤波器体积小、重量轻,允许电流大大,应用范围广。

对于沿供电电源线传导的噪声可以用电源滤波器来滤除。前面谈到军用115V/400Hz电源并非理想的400Hz正弦波,而是充满各种频率噪声。同理飞机上直流27V电源,有时也会存在严重的干扰噪声,往往造成设备无法正常工作。这种情况在外场,经常会遇到。在不方便对电源本身(干扰源)采取措施的情况下,采用交流电源滤波器和直流电源滤波器,可以有效抑制沿电线传导的干扰噪声。

在某型无线电罗盘改装某直升机时,我们对改装直升机上进入罗盘接收机的交流、直流电源均进行了电磁兼容性设计。为了对经电源传入的EMI噪声进行抑制,保护接收机不受其干扰。同时又能抑制接收机自身产生的传导干扰,以防干扰其他机载设备的正常工作。并在抑制电磁干扰的同时,保证交流、直流电源的功率的正常传送。我们采用了开容公司的KF-1DOFM-2A型交流滤波器和KF-2B1TM-2A型直流滤波器。两种滤波器插损指标如下:

插损指标IL=101log10(P1/P2)可以衡量滤波器对EMI传导噪声的抑制能力。而开容公司的KF系列电源滤波器具有高至100 M Hz的高插损性能。能有效抑制在10 KHz-100 MHz宽频带内的传导干扰。因此可以满足接收机工作频段150-1000 KHz内的高插损要求。

选用该滤波器,在使用中必须注意合理接地和屏蔽,才能达到良好的EMI抑制效果。为减小接好阻抗,滤波器被安装在导电金属表面且通过金属编织带与接地点就近相连,避免细长接地导线造成较大的接地阻抗。滤波器要安装在接收机附近且滤波器的输入线与输出线应避免耦合,可分别绞合后进行屏蔽处理。

通过以上措施并经试飞使用考验,已取得了良好的实际使用效果。

在对传输线路及印刷电路板的布线设计中,注意进线与出线、信号线与电源线应尽量分开。对于重点线路还可采用损耗线滤波器、三端子电容、磁环等器件进行干扰抑制。对于接口端,国外有带滤波的D型、圆形、方形连接器产品,这类连接器是在普通连接器上加装电容或电感,构成滤波电路,其特点是不占PCB空间,不增加体积,这对要求高密度设计的场合十分适用。

对于辐射干扰,主要措施是采用屏蔽技术和分层技术。选择适当的屏蔽材料,在适当的位置屏蔽,才能有好的屏蔽效果。可供选择的屏蔽材料种类繁多,有种种金属板、指形铍铜合金簧片、铜丝网、编织铜带、导电橡胶、导电胶、导电玻璃等待。应根据需要选择。除静电屏蔽外,还需考虑磁屏蔽以及接地和接大地技术。

(3)降低电磁敏感装置的敏感度

电磁敏感装置的敏感是一柄双刃剑;一方面人们希望接收装置灵敏度高,以提高对信号的接收能力;另一方面,灵敏高受噪声影响的可能性也就越大。因此,根据具体情况采用降额设计、避设计、网络钝化、功能钝化等措施是解决问题的办法。

3 结论

綜上所述,对于电磁干扰的抑制方法很多,可以选择一种或多种综合运用。但不论选择什么方法都应从设计之初就着手系统电磁兼容性的考虑,而不是亡羊补牢。据报道,若在产品开始研制时即进行电磁兼容设计,大约90%的传导和辐射干扰都可以得到控制。因此,在保证可靠性、安全性、质量要求的情况下,选择适当的电磁干扰抑制措施,是十分必要的。

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