工业电子装置的电磁干扰抑制措施

严刚峰 ，方 红 ，杨 维 ，郭 兵

（1.成都大学 电子信息工程学院，成都 610106；2.四川大学 计算机学院，成都 610065）

电子电路的电磁兼容性设计，其主要内容包括控制电子装置对环境的电磁传导与发射干扰的水平，抑制现场环境的电磁传导与发射干扰的能力，并使其达到使用的要求[1-3]。其中工业用电子电路，由于处理的大多是频率不高的模拟电信号，即使处理数字信号，其边沿时间也较长，因此工业用电子电路对环境的电磁传导与发射干扰的强度低，与数字电路及其它低压电气设备产生的干扰相比，可以不加考虑[4-6]。这样，工业用电子装置的设计只需考虑在使用现场的电磁干扰环境中，具有足够的抑制环境的电磁传导与发射干扰的能力，以确保电路可靠安全的运行即可[7-8]。无论是何种电子或电气设备的电磁兼容性设计总是围绕干扰的产生、传输、入侵（或称拾取）这3个环节[9]，针对干扰源、干扰传输途径、干扰受体这3个对象展开的。因此，消除与降低现场环境对电子装置的电磁传导和发射干扰的设计，在原则上也是从降低干扰源的干扰强度、降低干扰源与干扰受体之间耦合的程度、降低干扰受体对干扰的灵敏度3个方面进行的[10-12]。一般来说，干扰受体可以是指一个电路、如一块印制板电路等部件、一个装置或设备、一个控制系统等，而干扰源是泛指干扰受体所处的干扰环境。

对工业电子设备与它所在装置的电磁抗干扰能力加以分析，通过相应技术措施提高其抗干扰能力对于提高工业电子电路设备的工作可靠性，提高整个工业装置的性能具有重要意义。下面结合工程经验，就如何降低干扰源的干扰强度及其可以采取的技术措施加以阐述。

1 干扰传输的主要途径

电子电路中干扰传输途径主要有传导与辐射，大量干扰实验表明，装置以外的干扰主要是通过引线侵入装置的，而且侵入的主要是高频干扰，而工业环境下产生的高频干扰的频率从几千赫到几百兆赫左右。干扰传导的途径主要有如下几类。

（1）通过装置与大地之间的寄生电容引入干扰，当供电电网的负荷发生突变或某装置的电压电流发生瞬变时，在负荷突变或电压电流瞬变处的供电线或信号传输线与大地之间将产生瞬时过电压（高频振荡电压），形成了一个干扰源，这个干扰电压经过与被干扰装置连结的供电线或输入输出信号线、被干扰装置与大地之间的寄生电容、再经大地仍回到干扰源。这一类干扰主要是通过被干扰装置与大地之间的寄生电容进行传导的；

（2）通过装置供电线与信号线之间、信号线与信号线之间的分布电容与分布电感引入干扰，当某一供电线或信号线中发生瞬变高频电压电流时，它将通过分布电容与分布电感耦合到相邻线中，形成干扰电流；

（3）通过干扰源与受干扰装置之间的漏电阻引入干扰，干扰强度与干扰源电压成正比的干扰，它是通过干扰源与受干扰装置之间的漏电阻引入的；

（4）通过公共线上的公共阻抗引入干扰。

2 抑制干扰源产生干扰的主要技术措施

2.1 抑制电压、电流瞬变产生干扰的技术措施

引起电压或电流瞬变的原因很多，常见的有切换容性负载引起的浪涌电流、切换感性负载引起的浪涌电压、切换大功率负载引起的冲击电流、数字处理与逻辑控制装置中的大量逻辑组件状态同时翻转引起的瞬变电流可达107A/s）与瞬变电压可达108V/s）等。降低或消除由电压电流瞬变产生干扰的有效技术措施是降低电流、电压的变化率，这对于不同的产生原因，可采用如下相应的不同措施。

1）抑制电流瞬变干扰源产生的浪涌干扰电压的措施

在图1所示电路中，示意了阻容续流电路分别与感性负载并接，如图中R1、C1；与开关并接，如图中R2、C2；同时与感性负载、开关并接的方法，如图中R3、C3。如果负载与开关靠近时，推荐采用并接R3、C3。当然，这3种并接方法也可以同时采用，效果会更好。

图1 阻容续流电路Fig.1 Freewheeling circuit of RC

如果接通与断开电感负载L的是直流电源，则常采用图2电路中的二极管续流电路，与二极管D串联的电阻RD的选择原则为：RD越小、抑制干扰的效果越好，但电感中的电流下降到0的时间越长，其时间常数为 L/（RL+RD）。因此当对快速性有要求时，RD的大小应折衷选择。在该电路中，电源VCC对电感L充电的时间常数为L/RL。

图2 二极管续流电路Fig.2 Freewheeling circuit of diode

2）抑制电压瞬变干扰源产生的浪涌干扰电流的措施

图3 切换电容性负载的限流电路Fig.3 Current limiting circuit of switching capacitive load

当开关断开时电源+E对电容C充电，其充电限流电阻在图 3 的（a）、（c）中为 Rc，最大的充电电流为E/Rc，充电时间常数为RcC；限流电阻在图3的（b）中为（Rc+RT），最大的充电电流为 E/（Rc+RT），充电时间常数为C（Rc+RT）。当开关接通时电容C经开关放电时，图3中（a）为恒流放电，放电电流等于其中Vbe是三极管的基极与发射极的正向压降；图 3中（b）、（c）电路的放电限流电阻为RT，最大的放电电流为E/RT，放电时间常数为CRT。如果接通与断开电容性负载C的是交流电源，则可采用电容端电压过零时同步切换的方法来抑制瞬变浪涌干扰电流的产生。

3）其它情形产生的浪涌干扰电流的抑制措施

在突然接通电动机、接触继电器线包、白炽灯等非容性负载时也会产生瞬变浪涌冲击电流，其峰值可达正常工作电流的2～10倍。针对不同对象与使用场合，可采用相应的抑制浪涌冲击电流的方法，常见的有：

（1）采用电动机软启动来降低启动电流，还可在电动机供电接入端串接低通滤波、双线（入线与出线）并绕环形磁蕊，或并接阻容吸收电路等方法来抑制干扰；

（2）白炽灯可加预热电阻来降低接通冲击电流；

（3）切换大电流交流负载时，一般可采用在该负载的电流为零或其交流供电电源的电压过零时，进行同步切换的方法来抑制浪涌干扰电流的产生，也可采取切换瞬间接入限流电阻的方法等；

（4）采用适当减慢电子开关（如可控硅、大功率三极管等）的开关速度的方法，抑制浪涌冲击电流干扰的产生等。

另外，由于数字处理与逻辑控制装置中的逻辑组件大多在时钟同步下工作，因此大量逻辑组件的状态同时瞬间切换而产生瞬变电流与瞬变电压的干扰是必然的，因此除适当降低时钟频率与延长状态切换时间以外，一般只能从抑制干扰的传播方面采取相应技术措施。

2.2 抑制信号传输时发生波形畸变的技术措施

由于畸变信号中含有丰富的高次谐波，会在信号线间引起串扰。因此，这就形成了一个干扰源。虽然无畸变线对行波不会引起畸变，但由于线路终端的反射还会使实际电压电流波形产生畸变。所以为了避免信号在无畸变线中传输时发生波形畸变，还必须满足负载与传输线对的波阻抗的匹配。信号如果在传输线中传送时，由于传输线偏离无畸变条件，会引起信号波形的畸变，同时由于传输线的负载阻抗偏离匹配值能引起信号在传输线的终端与始端间多次反射，也会使信号波形产生畸变。当畸变严重时，甚至会产生振铃现象，这不但影响信号的正确传送，而且由于畸变信号中含有丰富的高次谐波，会在信号线间引起串扰，于是就形成了一个干扰源。另外，如果方波边沿的时间为tr（幅度由10%至90%之间所需的时间，也称为信号瞬变时间），则可包含的谐波频率从基波频率直到f=1/（3.4tr）左右，例如边沿时间为 5 ns时，至少包含从基波频率直到60 MHz的谐波成分。经验表明：当传输线的长度达到或超过行波波长的十五分之一左右时，必须进行终端负载阻抗的匹配。

综合上述可知，抑制反射波干扰的技术措施主要有：

（1）尽量降低信号的频率，增长信号边沿的瞬变时间；

（2）根据传输信号的频率范围与传输功率，选用参数适宜的均匀线（如扭花均匀的双绞线、屏蔽线等）作为信号的传输线对，在印制走线时，应合理选择信号走线路径，以尽量降低传输线对信号波形的畸变；

（3）在传送模拟信号时，由于频率不高或信号电压瞬变较缓，加上在机柜内或印制板内走线不长，所以一般可不考虑传输线路的终端负载的阻抗匹配。但在数字逻辑控制中则不然，由于信号频率高、信号瞬变时间极短，甚至在印制板中的走线不作负载匹配，也会形成一个干扰源，严重地干扰在同个箱柜内或同块印制板，甚至同芯片的其它信号（如模拟信号），因而根据具体情况必须采取相应的负载匹配方案，如图4所列。

图4 逻辑电路之间信号传送的负载匹配方案Fig.4 Load matching scheme of signal transmission between logic circuits

图4（a）所示的匹配方案1的优点是简单，考虑到信号接收器的输入值抗后，电阻R2的取值可略大于传输线的波阻抗，可取200 Ω左右，该方案的缺点是对信号的高电平有损失，并增大了信号源的拉出电流；图4（b）所示的匹配方案2的优点也是简单，电阻R1的取值也可为200 Ω左右，该方案的缺点是由于增大了对信号源的灌入电流，抬高了信号的低电平；图4（c）的方案3兼顾了方案1、2的优缺点，由于电阻R1与电阻R2的并联为200 Ω 左右，这样，电阻值 R1、R2的取值要分别比方案1、2中的大得多，这样对信号的高、低电平的影响要比方案 1、2小得多；图 4（d）的方案 4中的电阻R2取值范围为 120 Ω～180 Ω，电容 C取 3300 pF左右，该方案的匹配效果较好，可优先予以选用；图4（e）是始终匹配方案，电阻R的取值范围为51 Ω～75 Ω之间，缺点之一是较大地抬高了终端的低电平，另外它只能抑制二次及以上的反射。虽然采取了负载匹配等抑制反射的措施，特别是信号在长线传输时，仍会产生不可忽视的过冲电压，因此，常常还要在接收端采取图4（f）所示的保护措施。

（4）当一个信号源要与多个负载连接时，如果信号源的负载能力许可，应优先采用星型连接方式，并在每个负载端加上终端匹配电路；如果信号源的负载能力不许可，或受走线空间限制，特别是在印制板内走线时，可采用串接各负载的环型连接方式，把输入阻抗较高的负载放在中间节点上，在最终的一个节点上加上终端匹配电路，这种匹配方式，虽然效果较星型连接较差，但当负载输入阻抗较高、信号频率不太高的情况下，还是可行的。

2.3 其它干扰源的干扰抑制措施

（1）静电干扰的抑制

静电干扰是在高压电路附近产生的感应干扰。抑制方法是把干扰源用导电性良好的，如铝、铜之类金属板、网（对于几千赫以上的高频干扰源可用金属网），屏蔽起来，如果对干扰源屏蔽不可能，则可对干扰受体进行整体屏蔽。

（2）交变电磁场干扰源产生电磁场干扰的抑制

变压器、电感器、高频发生装置、传送大瞬变电流的导线与线圈等干扰源产生的交变电磁场干扰的抑制方法之一是采用电磁屏蔽措施，阻断电磁干扰的传播，二是降低干扰源产生电磁干扰的强度，例如变压器和线圈采用平衡绕制如图5（b）所示，而不宜简单地采用图5（a）所示的不平衡绕制，通过减慢电流电压瞬变速度来尽量降低交变谐波频率与幅度等。平衡绕制时，二个对称的半绕组对于有用信号的磁通是相加的，但对干扰磁通引起的干扰电势则是互相抵消的。

图5 变压器绕组和线圈平衡绕制法示意图Fig.5 Balance winding diagram of transformer’s windings and coil

（3）触点切断、接通时产生高频火花干扰的抑制

熄灭火花的设计原则为：确保触点断开、接通瞬间触点间的电压小于点火电压，不产生弧光、辉光放电，触点之间电压变化率小于触点之间的绝缘程度，触点闭合时不引起电腐蚀。

对于逻辑控制中的触点，可在触点之间接入由电容C与电阻R串接的熄火花电路，电阻R=V2/140，V 为接通的直流电压，电容 C 在（0.1～1）μF 之间选择，电压高时R宜大、C宜小，电压低（100 V以下）时R宜小、C宜大；为了保证触点工作可靠，其切换电压10～50 V，电流5～20 mA为宜，并宜采用常开触点，这是因为常开触点在继电器意外失电时能自动发出报警信号，同时常闭触点容易受到机械振动冲击而瞬间断开。

在低压电气控制装置中的控制开关、交流接触器触点之间应加接RC阻容吸收回路，继电器触点之间也应加上 R（220 Ω）C（0.47 μF）吸收回路。

（4）触点切换瞬间抖动的消除

如果该触点状态作为I/O点被数字处理器采样，则可用软件的方法来防止触点抖动引起的不可靠。也可通过RC阻容低通滤波（如积分电路）消振，用单稳态触发器、R-S触发器、施密特触发器接收触点状态等硬件的办法来处理。

（5）电动机碳刷产生的火花、可控硅通断产生干扰的抑制可在电动机与其供电电源之间的靠近电动机侧、在可控硅开关与负载之间的靠近可控硅开关侧，串接入低通滤波器与双线绕制的环形磁蕊噪声抑制器可有效地抑制干扰。

（6）温差热电势等接触噪声电压的抑制

在小信号模拟电路中，接触电势干扰往往被忽视，应选用接触电势小的材料作为连接件，应包括元器件的引脚、焊料等。

3 结语

对于工业用电子设备，如何在电路设计过程中降低各类电磁干扰源的干扰强度以减小干扰对工业电子系统的影响，本身是一个极其复杂的工程问题。

本文结合工程实践经验，从干扰传输的主要途径出发，分析了干扰源产生干扰的主要原因，特别是对电压、电流瞬变干扰源产生的干扰，信号传输时发生波形畸变产生的干扰以及工业现场常见设备引入的干扰提出了具体的抑止措施，为工业电子系统设计过程中，如何降低干扰信号的强度，减小其对电路的影响提供了一定的参考。

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