电子控制设备的抗干扰设计

徐新卫

（中国电子科技集团公司 第三十九研究所，陕西 西安 710065）

随着科学技术的不断发展，原来功能简单的电子设备已发展成强弱电紧密结合、功能齐全的新型电子控制设备，电子控制设备对外界发出电磁干扰，电子设备间往往相互影响，为了电子控制设备长期稳定可靠工作，必须在电子控制设备的设计、制造、安装的全过程进行电磁兼容的考虑。

1 干扰的定义

按照国家标准GB2900.1－82的定义，干扰是指任何不希望有的信号，广义地说是在一有用频带内任何不希望有的噪声[1]。

从噪声对电子设备发生电磁干扰的模式来说，可分为常模噪声和共模噪声。

1.1 常模噪声

常模噪声又叫线间感应噪声或对称噪声，图1是常模噪声原理图，噪声侵入往返两条线间，N为噪声源，R为受扰设备，VN为噪声电压，噪声电流IN和信号电流IS的路径在往返两条线上是一致的。这种噪声是较难去掉的。

图1 常模噪声Fig.1 Norm noise

1.2 共模噪声

共模噪声又叫对地感应噪声或不对称噪声，如图2所示，噪声侵入线路和地线间。噪声电流在两条线上各流过一部分，以地为公共回路，而不是只在往返两条线路中流过。从原理上讲这种噪声是可以去掉的。

图2 共模噪声Fig.2 Common-mode noise

1.3 共模噪声转换成常模噪声

由于线路的不平衡性，共模噪声也会转换成常模噪声。图3是共模噪声转换成常模噪声的原理图，其中N是噪声源，L为负载，Z1和Z2是导线1和导线2的对地阻抗。如果Z1＝Z2，则噪声电压V1和噪声电压V2相等，从而噪声电流I1和I2相等，即噪声电流不流过负载，对L来说这是共模噪声；然而当 Z1≠Z2时，则 VN1≠VN2，从而 IN1≠IN2，于是 VN1－VN2＝VN，VN/ZL=IN（ZL—负载阻抗），对L来说这是常模噪声。因此，当发现常模噪声时，首先考虑它是否由线路不平衡状态而从共模噪声转换而来的。

共模噪声有交直流之分，通常输入输出线与大地或机壳之间的噪声都是共模噪声，信号线受到静电感应时产生的噪声也多为共模噪声。抑制共模噪声的方法很多，如屏蔽、接隔离等，抗干扰技术在很多方面都是围绕共模噪声来研究其有效的抑制措施。

图3 共模噪声转换成常模噪声Fig.3 Changing common-mode noise into norm noise

2 噪声的传播途径

噪声基本是由导线、空间、接地电路这3个途径进行传播的。噪声通过导线传播包括电源线、信号线、控制线的噪声侵入；空间传播包括电磁波、静电感应、电磁感应等方式；通过接地电路传播包括地线传导、地线感应和接地噪声。

3 电磁干扰的抑制措施

3.1 电磁兼容的评价原则

在讨论电子控制设备的电磁干扰抑制方法之前，先要了解电子设备的电磁兼容的评价原则，一般用电磁容不等式进行简单评价。即：噪声发送量×耦合因素<噪声敏感度[2]。

从噪声源发出的传导噪声或辐射噪声经过导线或空间到达电子设备的相应部分，进入电源电路、输入电路等，成为侵入电子设备的噪声。此噪声小于电子设备的噪声敏感度时，设备不受其干扰，如果电子设备所有的噪声入口部位都达到这一要求，并有足够裕量时，便意味着该电子设备达到电磁兼容的要求；如果电子设备的某个或某些入口部位不满足上述不等式的要求，或者虽能勉强满足，但裕量太小时，则应按实际情况，对上述不等式中的3个环节采取措施，并再次检查是否满足不等式，且保持一定裕量。

为达到电磁兼容的目的，应该对影响电子设备的噪声及其电磁干扰发送量、传递途径和衰减情况做具体分析，并测试电子设备的敏感度，在取得必要数据的基础上选用行之有效且较经济的电磁干扰抑制措施。

3.2 电磁干扰抑制措施

电磁干扰的抑制可从5个方面采取措施，分别是采用抑制干扰的电路或器件、滤波、接地、屏蔽和合理布线。

3.2.1 采用抑制干扰的电路或器件

1）专用供电线路 只要通过对供电线路进行简单处理就可以获得一定的干扰抑制效果。如把三相电的一相作为干扰敏感设备的供电电源；另一相作为外部设备的供电电源；第三相作为常用测试仪器或辅助设备的供电电源。这样可减少设备之间的相互干扰，同时有利于三相平衡。

2）浪涌吸收器 电路在工作时，有时会出现比正常电压（或电流）高出几十倍的瞬时电压（或电流），其中最普遍的是雷电浪涌电流和开关浪涌电压。常见的浪涌吸收器有RC电路、二极管、硒整流器、气体放电管、金属氧化物压敏电阻、新型半导体雪崩半导体等元件[3]。

3）隔离变压器 隔离变压器是一种广泛使用的电器隔离，解决由地线环路带来的设备间的相互干扰。可分为普通隔离变压器和带屏蔽层的隔离变压器。

普通隔离变压器在初级和次级间不设屏蔽层，对共模有一定的抑制作用，但因绕组间寄生电容，使它对共模干扰的抑制作用随频率升高而降低。

带屏蔽层的隔离变压器要想衰减大，关键是耦合电容小。因此要在初级和次级间增设屏蔽层。屏蔽层对变压器传输能量无不良影响，但影响绕组间耦合电容，所以屏蔽层的良好接地最重要。

3.2.2 滤波

滤波器是由电阻、电感、电容或有源器件组成的选择性网络，它作为电路的传输网络，有选择性衰减输入信号中不需要的频率分量，完成滤波作用。滤波器最重要的是其频率特性，即滤波器的插入衰减随工作频率的不同而变化的特性。

插入衰减 =20lg（E1/E2）

式中，E1—信号源通过滤波器后加在负载上的电压，E2—信号源不通过滤波器而直接加在负载上的电压[4]。

滤波器按习惯可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。

在滤波电路中，还采用很多专用的滤波元件，如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环，它们能改善电路的谐波特性。

3.2.3 接地

接地的目的有两个：一是安全保护，预防触电，保护操作人员的安全；二是为电子设备提供基准电位，前者叫安全接地，后者叫功能性接地。接地是一个系统工程，需要在设计时通盘考虑，需要按功能分成信号地、控制地和安全接地等，并根据设计目标决定采用一点接地、多点接地和混合接地。为避免接地环流，必要时还要采用隔离技术。一个完善的接地系统必须从最初设计直到它安装、铺设全过程审慎从事才能完成。接地的指标是接地电阻，一般接地电阻以10 Ω为设计目标。

下面从电子设备的角度对接地加以讨论。

1）低频电路 应遵循一点接地原则。因为如果多点接地，会出现闭合和接地环路，当低频或脉冲磁场穿过该环路时产生磁感应噪声，于是不同接地点之间会出现电位差，形成干扰。为实现一点接地，可采用放射式接地线路，或者可采用干线式接地线路。

2）高频电路 高频电路宜用多点接地。高频时即使较短的一段地线也会有较大的阻抗压降，而且由于分布电容的作用，很难实现一点接地。为了降低接地阻抗，消除分布电容的影响，采用平面式多点接地，利用一导电平面作为基准点，需要接地的各部分就近接到该基准地上。由于导电平面对高频阻抗很低，所以各地的基准电位比较接近。

3）混合电路 在实际设备中有各种电路，所以要采用混合接地方式。例如低频信号电路和高频电路分别有各自的基准母线，高频信号用平面式多点接地，再以放射式把上述三种电路连接到公共的基准点上[5]。

3.2.4 屏蔽

屏蔽是通过各种屏蔽材料对外来电磁干扰的吸收和反射的作用来防止噪声侵入，或是将内部辐射的电磁能量限制在设备内部，以防止干扰其他设备。按屏蔽的作用可分为电场屏蔽和磁场屏蔽。

1）电场屏蔽 电场屏蔽通常是采用良导体制成屏蔽体。屏蔽体有很多类型。如金属隔板式、壳式、盒式等实心型屏蔽，或是金属编制带式屏蔽[5]。屏蔽材料的性能、厚薄，辅射频率的高低，距辐射源的远近，有无缝隙等，都对屏蔽效果有直接影响。

2）磁场屏蔽 磁场屏蔽通常是采用高导磁材料制成屏蔽体。通常是对直流或低频磁场的屏蔽。其原理是利用屏蔽体的高导磁率、低磁阻特性对磁通起磁分路作用。可通过加厚屏蔽体，被屏蔽物放在屏蔽体中心，减小缝隙，多层屏蔽等措施来加强屏蔽效果。

3.2.5 合理布线

合理布线是抗干扰措施的一个重要方面。导线的种类、线径的粗细、走线的方式、线间的距离、导线的长短、捆扎或绞合、屏蔽的方式以及布线的对称性等都对导线对噪声耦合有直接影响。电子设备的滤波、屏蔽、接地也是在合理布线基础上才能发挥出预期的效果。

1）电子设备外布线的基本原则

控制线路、电源线路和信号线路必须分别配线，并且要保持一定距离。配线间隔越大，离地面越近，配线越短，则噪声越小。根据电磁场理论，电磁感应的强度与距离的平方成正比。如受环境条件限制，信号线不能与高压线和动力线离得足够远，可采用如下方法解决：信号线接电容器，控制线路用屏蔽电缆，灵敏器件的双输入、输出使用双绞线，在电缆沟（槽）按强弱电分层铺设，不同等级的电缆用铁板隔离[6]。

2）电子设备机柜配线注意事项

检查电源配线是否过长，滤波器的输入线和输出线是否靠近，接地线是否用短而粗的线，电源变压器是否屏蔽，如果机柜内有TTL和复杂模拟电路，或者微处理机等部件时，最好把它们分别放在各自的屏蔽箱壳内。采集强电信号的接口电路应该另备外壳，强弱电元器件的配线不能靠近，电子设备内的模拟电路、数字电路、动力电路都要分开配线，都有各自的基准电位，最后汇集在公共的地线，同一电源向多个部件供电，原则上要单独设置电源线，而接地线仍要一点接地。

4 工程上的抗干扰设计

在实际工作中会遇到一些难解的问题，后来才发现是电磁兼容的问题。实例1：一次在某测控天线系统联试中，发现编码器不稳，有时会有突然跳码现象，造成天线运行中突然抖动。经过反复排查编码器和旋变，没发现问题。用示波器观察编码器信号，发现只要电机一加使能，编码器信号上还出现一些不明的高频谐波。显然电机的信号干扰了编码器的正常工作。该天线系统是车载站，经仔细查线，发现在走线槽中电机线和编码线没有分开走线，另外由于电机线较粗，虽然在电机线插头的屏蔽层接在插头的外壳，但工人为了方便把屏蔽层剪掉了一些，从而使屏蔽层不能完全包住插头。针对上述情况，对工人强调必须严格按照图纸要求走线，强电、弱电分开捆扎，屏蔽层必须完全包住插头，不能有任何泄露。经过整改后，编码器工作正常，再也没发现类似问题。实例2：在另一个工程中，发现用天线控制单元ACU远控运转天线时，天线运行中有时会出现大的响声，好像天线运转不灵活，有时会卡壳似的。开始怀疑是天线结构的问题，可用伺服本控ADU运转天线无此现象。开始检查ACU程序有无bug，，后来运行串口调试程序，发现未转天线，本控ADU发给远控天ACU的状态有时会瞬间发生变化，又马上恢复。而变化的那位恰巧是方位制动器状态，天线控制单元ACU收到制动器异常就下电，收到制动器正常又继续工作，所以在天线运行中有卡壳现象。接着又用串口程序检查本控ADU给远控ACU发的指令，发现指令没有变化一切正常。于是可以判断问题就出在ADU与ACU通信的这根线上了。仔细检查这根通信线，发现采用的是双绞屏蔽线，但是它和电机线挨的很近。用示波器观察，信号线上明显有干扰信号。于是采取如下措施，给电机的三相电源线上分别穿上磁环；ADU与ACU的通信线重新接线，尽可能远离电机线；在ACU的信号线上接个小电容把高频信号旁路到地线上。经过以上措施，天线运转正常。

5 结束语

从表面看似乎电子设备的抗干扰技术并不难，无非是接地、屏蔽和滤波，但目前还很难对电磁兼容[7]建立一个定量的模型。同样一种抗干扰设计对这套设备很有效，对另一套系统可能就一般。这就需要设计师根据设备的要求和外部的使用环境具体分析，依据过去长期摸索的经验来选择可采用的抑制干扰的措施。一个好的设计，可大幅提高电子设备的可靠性，显著减少设备的故障率，获得巨大的经济利益。

[1]诸邦田.电子电路实用抗干扰技术[M].北京：北京邮电出版社，1994：123.

[2]韩刚.工业电子控制装置的抗干扰技术[M].北京：中国铁道出版社，1997：42-47.

[3]路宏敏.工程电磁兼容[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

[4]吴良斌.现代电子系统的电磁兼容性设计[M].北京：国防工业出版社，2004.

[5]杨继深.电磁兼容技术之产品研发与认证[M].北京：电子工业出版社，2004.

[6]邹云屏.检测技术及电磁兼容性设计[M].武汉：华中理工大学出版社，1995：301-315.

[7]吕新良，卢江平，宋晓林.电子式互感器电磁兼容试验研究[J].陕西电力，2010，38（12）：80-83.LU Xin-liang，LU Jiang-ping，SONG Xiao-lin.Experimental study onelectromagnetic compatibility ofelectronic transformer[J].Shaanxi Electric Power，2010，38（12）：80-83.