电磁兼容技术应用浅析

王智宇

中图分类号：TN03 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0094-01

1 绪论

随着发动机上电子设备的增加，发动机电磁环境越来越复杂，恶劣，可能导致数据传输错误，甚至影响发动机控制，由此电磁兼容性技术越来越受到发动机设计人员的重视。国内外大量的经验证明，在产品的研制生产过程中越早解决电磁兼容性问题，则越可以节约人力物力，因此本文浅析了几种噪声抑制机理及应用，为电磁兼容性设计提供参考。

2 电磁兼容三要素

2.1 电磁干扰源

任何条件下di/dt≠0时，就会产生电磁噪声。电磁干扰源包括雷电、静电放电、高压电力系统、点火系统等等。从源头控制电磁发射可从根本上解决问题。

2.2 传播特性

电磁噪声的传播方式分为传导和辐射。传导是通过一个或多个导体传播电磁噪声能量的过程。辐射是以电磁波的形式通过空间传播电磁噪声能量的过程。

消除电磁干扰源和和受扰设备之间的传导和辐射，切断电磁噪声的传播途径、提高传播途径对电磁噪声的衰减作用，也是解决系统电磁兼容问题切实可行的方法。

2.3 受扰设备

承受电磁噪声的客体。加强受扰设备抵抗电磁噪声的能力，降低其对噪声的敏感度，也是抑制电磁干扰的方法。

3 电子控制设备常见电磁噪声

电磁噪声总是发生在电压或电流急剧变化的部位，该部位也就是电磁噪声源。电力系统中的电磁噪声源有放电噪声源（如：电机电刷跳动、大功率开关触点）、浪涌噪声源（交流系统中，大型电动机的起动电流、晶闸管控制设备等；直流系统中，主要有继电器、数字电路的开关元件等）、振荡噪声源（如无线电收发设备）。

4 噪声抑制机理及应用

4.1 浪涌吸收器

电力电子设备中的晶闸管、电动机在工作过程中有时出现比正常电压（或电流）高出许多倍的瞬时电压（或电流），称为浪涌电压（或电流）。较常见的是开关浪涌电压。如果不采取措施，浪涌产生的高压极有可能损坏某些器件，或导致电路中某些控制电路的误动作。

如下图，当开关SW瞬时断开时，电感L产生的瞬时高压通过二极管D正向导通，将L两端短路，防止大电压侵入电路（见图1），因此也叫续流二极管电路。晶闸管整流电路常用到这类保护电路。

4.2 滤波器

滤波器一般是由电阻、电感、电容组成，按电容和电感在不同頻率下呈现的阻抗特性，有选择地使有用的信号通过，使无用信号衰减。

4.3 隔离变压器

变压器属于感应元件，通过电磁感应作用改变电压和电流，完成同一频率的电能传输。一般变压器均会产生不同程度的噪声，是常见的噪声源之一。但是利用变压器却可以抑制电路中的电磁噪声。将普通变压器的一次绕利用扼流环原理组分成两个并联绕组，按一定的匝数和方向绕制，当共模电流流经两个绕组时，磁场相互叠加，产生很强的反电势，可以大大减少共模噪声通过分布电容耦合到变压器二次绕组。发电机整流装置采用该类型的隔离耦合变压器，将发电机的输出交流信号经变压器隔离后送到RC滤波电路，可以削弱发电机输出电源线上的电磁噪声。

4.4 屏蔽

屏蔽是通过各种屏蔽体对外来电磁干扰的吸收或反射作用来防止电磁噪声侵入，同时把设备或线路自身的电磁能量限制在屏蔽体内部。电屏蔽的实质是减小两个设备（或两个电路、组件、元件）间电场感应的影响。电屏蔽的原理是在保证良好接地的条件下，将干扰源产生的干扰终止于由良导体制成的屏蔽体。因此，接地良好及选择良导体作为屏蔽体是电屏蔽能否起作用的两个关键因素。航空发动机电缆和试车设备所用的屏蔽线，就是这种电屏蔽原理。这种屏蔽层采用细铜丝编织，对静电感应有较好的抑制作用。所以，通常说它的作用是电磁屏蔽，是不准确的。

磁屏蔽的原理与电路中的旁路分流原理类似，它是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路，从而对干扰磁场进行分流，因而选择钢、铁等高导磁率的材料和设计盒、壳等密闭壳体是实现良好磁屏蔽的关键。

电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时屏蔽场源所产生的电场和磁场分量。选择高磁导率且导电性好的铁管，可实现这类屏蔽。由于随着频率的增高，波长变的与屏蔽体上的孔缝的尺寸相当，且由于金属体在高频时的集肤效应，导致只要满足刚强度的屏蔽体厚度均有足够高的屏效。此时决定屏蔽效能的不是金属体材料的种类及厚度，而是孔缝泄漏。

4.5 数字器件的干扰抑制

数字器件典型处理信号是“0”、“1”信号，信号的突变过程由门限电压值决定，数字器件的门限电压一般由器件的供电电压决定，相对较高，其抗干扰能力相对较强。数字器件翻转的时间Tr与逻辑脉冲占频谱带宽成反比。即翻转时间越短，其逻辑脉冲在频域范围内的范围越宽。这使数字器件成为一种较强的宽带骚扰源。

模拟器件典型处理对象是模拟电压、电流信号的变换，这一变换过程是相对平缓的，变换过程由输入信号特征、模拟器件及外围配置电路决定，其相对平缓的变换过程使其易受到外围高频信号的干扰。同时，由于其工作频段相对较低，很少会对外围电路造成干扰。

因此，在设计电路时，通常要将模拟器件远离易产生干扰的数字器件。在数字器件选择时，尽可能选择翻转时间常、功耗低的器件，只要能完成逻辑关系，尽量选用较低频率的器件。电路中用到矩形波或方波及脉冲时，只要能完成逻辑关系，尽量选用前后沿较缓的波形。

4.6 接地

接地是提高电子设备电磁兼容性的重要手段之一，正确的接地既能抑制噪声的影响，又能抑制设备向外发生噪声。

电气系统中的“地”，一种是“系统基准地”，一种是“大地”。

4.6.1 系统基准地

“系统基准地”指信号回路的基准导体（如控制装置中的直流零伏导体，高频装置的底板等），简称系统地。这时的接地目的是为系统各部分提供一个稳定的基准电位。对这种接地的要求是尽量减少接地回路中的公共阻抗电压，因为公共阻抗电压会引起系统中各处的地电位不等而导致工作混乱。

在低频电路中，应遵循“一点接地”的原则。如果多点接地，会形成闭合的接地环路，当有磁场通过该环路时，势必会导致不同接地点间的感生电势，形成干扰。但在高频电路中，一段较短的接地线也会在高频时呈现较高的阻抗特性，几个电流共同流过一个接地线时或几条接地线串联后一点接地，将形成共阻抗耦合干扰。

4.6.2 屏蔽接地

为抑制变化电场的干扰，电子装置广泛的采用静电屏蔽，如电缆屏蔽层。但所有的屏蔽导体都必须有两好的接地才能发挥作用。

电缆屏蔽层接地仍以一点接地为原则，因为两点接地时，屏蔽层、接地线和大地有可能形成闭合回路，当有变化的磁场通过该回路时，会在屏蔽层内形成感生电流，屏蔽层与芯线之间的感应，对线路内的信号产生干扰。

机箱屏蔽电缆与机箱互连接地时，考虑高频干扰时，机箱外部的电缆与机箱互连后，电缆的屏蔽层要在机箱外层接地，而机箱内部的电缆则要与机箱内层接地。采用这样的接地方式，可以在出现集肤效应时使外来干扰通过机箱外壳入地，而将机箱内部的干扰在机箱内部接地抑制。

4.7 布线调整

除了以上的各种干扰抑制方法外，选择合理的导线、调整布线也是抗干扰的有效途径。

使用双绞线减小回路面积可有效抑制磁场。在线路布局方面，将易受干扰的低频弱电与高频强电分离；将信号线与电源线分离；数字电路“地”与模拟电路“地”隔离；走线尽可能保证最短。

5 小结

以上只是以往工作和学习中对电磁兼容知识和应用原理的初步认识。要进行深入的电磁兼容性研究还需要大量的试验摸索和测量。目前国内国际某写大型的电子设备设计制造厂家已经设立了自己的电磁兼容实验室，对设备开发研制过程的不同阶段进行电磁兼容诊断测量，看似昂贵的电磁兼容测量系统，却为早期发现、早期解决电磁兼容问题提供了便捷的条件，更为避免后期解决电磁兼容问题节省了大量成本。