从耦合机理探析电磁干扰有效防护措施

周彩霞，易江义

(长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124)

信息与科技的发展使得电子设备的应用越来越广泛，设备在工作的同时往往会产生一些有用或无用的电磁能量，这些能量能降低、限制、甚至阻碍或中断自身或其它设备的正常工作，影响设备有效性能的发挥，从而形成电磁干扰(Electromagnetic Interference即EMI)。当今，电子设备越来越趋于极微弱的信号下工作，信号工作频率越来越高，动作时间越来越短，因而更容易受到外界EMI或产生EMI；另外高能量高频率发射源的增多也使得干扰信号增强[1]。如果不采取有效的防护措施，EMI危害的后果将越来越严重，不仅影响电子设备的正常工作，使其运行失常、失灵，甚至会损害设备。如何提高设备的抗EMI能力，降低EMI危害，实现对电子设备的EMI防护是当今尖端的综合性边缘学科——电磁兼容(Electromagnetic Compatibility即EMC)研究的一个热点。文章主要是依据干扰耦合的机理，由干扰耦合的传播途径入手，来讨论EMI的防护技术——滤波与屏蔽，并站在全局的角度讨论EMC的最新设计方法——分层综合设计法。

1 EMI耦合机理

EMI要对电子设备的正常工作产生影响必须具备三要素：干扰源、耦合途径和敏感设备。而EMI的耦合途径有两个：传导耦合与辐射耦合。传导耦合是通过公共阻抗、电容与电感等多种导电媒质将一个电网络上的干扰耦合到另一个电网络上，属频率较低部分的耦合。辐射耦合是由于电磁场的空间辐射引起的，属频率较高部分的耦合。对于不同耦合方式引入的EMI可根据其耦合机理不同而采用不同的防护措施。

2 传导EMI的防护

滤波器是滤除传导EMI的重要部件。EMI滤波器是由集总参数或分布参数电阻、电感和电容组成的网络。其工作原理与普通滤波器一样，但因其更关注插入损耗、能量衰减与截止频率等而具备其特殊性。在设计和选用滤波器时应注意频率特性、耐压性能、额定电流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。在安装滤波器时,不仅安装位置要恰当,安装方法要正确, 而且滤波器内部元件的位置布局要合理，才能对EMI起到良好的滤波效果。

在抗EMI 设计中，EMI滤波器通常分为电源线滤波器和信号线滤波器两类。两者除了对电磁干扰都有尽量大的抑制作用之外，分别还有一些特殊的考虑：电源线滤波器除了防止电网电压波动和高次谐波带来的不利影响保证满足安全方面的要求外，还要注意当负载电流较大时，电路中的电感不能发生饱和(导致滤波器性能下降)。信号线滤波器除了抑制并衰减干扰信号以提取有用信号外，还要考虑不能对工作信号有严重的影响，不能造成信号的失真。

2.1电源线滤波

电源线上的传导干扰危害最大也最为薄弱，其包含差模干扰和共模干扰两类，1MHz以下以差模为主，1MHz以上以共模为主。要把电源线上的EMI控制在有关EMC标准规定的极限电平以下，除抑制干扰源以外，最有效的方法就是在电源输入和输出接口加装电源滤波器图1为高性能T型电源滤波器。该滤波器是由集中参数元件构成的无源低通网络，采用两个共模扼流圈构成T型结构,其电源端接电网或干扰源，负载端接被干扰设备。L1 和一只CY，L2 和另一CY 分别构成1-E 和2- E 两对独立端口低通滤波器，用来抑制电源线上存在的共模EMI。L1 和 L2 是绕在同一磁环上的两独立线圈——共模扼流圈，它们所绕圈数相同绕向相反，由于L1 和 L2间必定存在漏电感Le，Le与CX又组成1-2独立端口低通滤波器，起到对差模信号的抑制作用。为了更有效抑制差模EMI，设计者可人为地增加共模扼流圈的漏电感。R是泄放电阻，与CX组成泄放回路，是为了在电路不工作时迅速释放存储在CX中的电荷，以免电击伤人。

电源滤波器是双向无源网络，具有互易性，所以当它安装入系统中后，既能有效地抑制电子设备外部的EMI 信号传入设备，又能大大衰减设备本身工作时产生的EMI 信号传向电网。

2.2 信号线滤波

信号线滤波器安装在信号线上，通过选择性地阻拦或分流有害骚扰信号来发挥作用。信号线滤波既可以采用硬件滤波，也可以采用软件滤波。当然为了极大程度地滤除EMI信号可采用软硬件相结合的智能处理方法，对硬件滤波后依然存在的干扰谐波成分，使用软件滤波 器进一步抑制与隔离EMI噪声。

硬件滤波时依照其抑制或吸收传导干扰的工作原理不同分为吸收式滤波器和反射式滤波器2种。吸收式滤波器是利用磁性材料的阻抗频率特性，通过吸收不需要频率成分的能量，使之转化为热能来达到抑制EMI的目的。为了达到最佳的干扰滤除效果，吸收式滤波器在干扰的中心频段具有最大的阻抗值，而滤波器阻抗的峰值频率点一般来说会与磁性材料的截止频率成正比，即与磁性材料的起始磁导率成反比。为了满足滤除不同频段电磁干扰的要求，用于吸收式滤波器的材料必须加以系列化，使之有针对性地滤除不同频段的干扰[2]。反射式滤波器是由电感和电容组合连接而成，通过将不需要频率成分的能量反射回信号源来达到抑制EMI的目的。由于反射式滤波器容易在高频率时受到电感、电容的参数影响，有可能会导致谐振现象，使滤波器的滤波性能大幅下降，因此反射式滤波器一般只适用于抑制频率相对较低的干扰。不过因为其滤波效果可以通过调整电感电容值参数来改变，只要调整得宜就能产生更佳的滤波效果，且频段变化也将更灵活[2]。在特定的应用中，吸收式滤波器与反射式滤波器串联起来组合使用，可达到更好的滤波效果。

软件滤波是采用滤波软件或编制滤波程序，对采集的信号进行特殊计算以达到滤除或抑制干扰信号的目的。软件滤波分FIR和IIR两种。FIR 滤波器的极点全部在原点，滤波性能永远稳定，有严格的线性相位，且可以运用快速傅立叶变换(FFT)算法来提高运输效率，因此实际应用中多采用FIR 滤波。

3 辐射EMI的防护

屏蔽是抑制辐射干扰最有效的方法，其目的有两个：一是限制屏蔽体内部的EMI骚扰超出某一区域；二是防止外来EMI进入屏蔽体内的某一区域。屏蔽按其原理可分为：电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。用于电场屏蔽的导体需要良好接地才能有效，否则，屏蔽电场的导体不但起不到屏蔽作用，反而对电场辐射干扰起到接力赛的效果，电场会通过感应使屏蔽导体带电。

3.1电屏蔽

电屏蔽是为了抑制寄生电容耦合，隔离静电或电场干扰。影响电屏蔽效能的重要因素是寄生分布电容，减小分布电容就能提高屏效。最简单的方法是将干扰源的电力线终止于由良导体制成的屏蔽体，从而切断干扰源与接收器之间的电力线连接，即在干扰源与接收器之间加一接地良好的金属板，就可把两者间的寄生电容短接到地，达到屏蔽的目的。电屏蔽体的形状最好设计为盒形，再加上恰当的结构设计，来进一步减小分布电容。

3.2磁屏蔽

磁屏蔽是为了抑制寄生电感耦合。 磁场屏蔽随着工作频率不同所采用的磁屏蔽材料和磁屏蔽原理也不同。对于恒定磁场和低频(低于 100kHZ)磁场采用导磁率高的铁磁性材料做屏蔽物。其原理是利用铁磁材料的高导磁率对干扰磁场进行分路。磁场有磁力线，磁力线通过的主要路径为磁路，磁路也有的磁阻 Rc。将铁磁材料置于磁场中时， 由于铁磁材料的导磁率比空气的导磁率高很多，因此，铁磁材料的磁阻 Rc 比空气的磁阻 Rc 小得多，磁通将主要通过铁磁材料，而通过空气的磁通将大为减小，从而起到磁场屏蔽作用。高频磁场的屏蔽采用第电阻率的良导体材料，如：铜、铁等。其原理是用导体对磁感应干扰进行屏蔽，利用电磁感应现象磁力线穿过导体表面的时候产生涡流，涡流又会产生磁场，新生磁场的方向正好与干扰磁场方向相反互相抵消，达到抑制外磁场的目的。磁屏蔽要利用屏蔽体对磁通分流，因此不能采用板状结构而应采用盒状、筒状和柱状结构。

3.3电磁屏蔽

除了静电场和恒定磁场外，电场和磁场总是同时出现的。 电磁场屏蔽就是对高频交变电磁场的屏蔽。从上面电场屏蔽和高频磁场屏蔽的讨论中可以看出，只要将高频磁场的屏蔽物良好地接地，就能同时达到电场屏蔽的要求，即达到电场和磁场同时屏蔽的目的。 使用导电良好的屏蔽材料，如铝板、铜板、铜箔或在塑料上镀镍或铜，利用它们对干扰电磁波的反射、吸收和多次反射作用，衰减干扰电磁场的能量，达到屏蔽效果。

在屏蔽要求较高时，可采用双层甚至多层屏蔽。屏蔽层间相互绝缘，内层屏蔽一般只与电源地相连，信号等屏蔽只与内层屏蔽相连，而外层屏蔽只与大地相连。

4 分层综合设计法

事实上，无论是采取滤波还是屏蔽措施，都必须结合接地技术才能达到良好的抑制效果，而滤波与屏蔽就犹如人的两条腿，只有同时存在才能达到平衡，共同构成完善的EMI防护，来满足设备的传导标准要求以及辐射要求[3]。

要从根本上解决EMI问题，就应在产品设计之初的方案论证阶段，将EMC指标逐级分配到各功能模块上，细化成系统级、设备级、PCB级和元件级的指标，然后按照要实现的功能分层依次进行综合设计。采用综合法会降低对滤波与屏蔽的要求，解决EMI问题就会事半功倍，产品的尺寸与重量也将更小更轻。

分层综合设计时：第1层为有源器件的选型和PCB设计；第2层为接地设计；第3层为屏蔽设计；第4层为滤波设计和瞬态骚扰抑制设计。对每一层设计时都要进行滤波、屏蔽和接地的综合设计及软件抗干扰设计。

在系统的设计之初就预测和分析EMC性，并在制造、组装和实验的过程中不断进行[4]。采用良好的电路设计技术及正确选择各类有源与无源元器件[5]，以最佳性价比来满足抗EMI需求，这样问题往往可以在最优的技术条件和成本条件下解决。

5 结束语

对电子设备进行EMI抑制与防护时，应从全局出发，采用分层综合设计方案，根据各系统的不同要求利用滤波、屏蔽等技术来完成与实施对设备EMI的防护。

[1] 崔泓.浅谈电磁干扰问题[J].大众标准化，2009，(S1).

[2] 林宗辉.EMI滤波器的技术与设计[J].电源技术，2008，(5).

[3] 马永健.EMC设计工程实务[M].北京：国防工业出版社，2008.

[4] 何宏.电磁兼容设计与测试技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[5] 张青山.电磁兼容与系统可靠性设计[J].吉林大学学报，2009，27(3).