关于电磁干扰在系统设计中的防护方法

（陕西中天火箭技术股份有限公司，陕西 西安 710000）

随着现代科学技术水平的快速发展，冶炼厂使用不同仪表设备，由此产生的电磁污染不容小觑。在高精度、高可靠性和高安全性要求的系统中，针对电磁干扰的防护措施不可忽略[1]。电磁干扰通过空间辐射和线缆传导的路径对自动化设备中的电路和电子元器件实施干扰。在产品的设计中，应根据其使用环境、功能稳定性和系统匹配性，考虑设计电磁干扰防护和电磁兼容性能优化措施。

1 电磁兼容与电磁干扰

电磁兼容性（EMC，Electromagnetic Compatibility）指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行且不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁骚扰的能力。冶炼企业使用的不同仪表设备、转炉及连转系统会大量使用变频器，变频器产生功率较大的谐波，由于功率较大，对设备的干扰性较强。电磁干扰（EMI，Electromagnetic Interference）是干扰电缆信号和系统稳定性并降低信号完整性的电磁噪声，分为传导干扰和辐射干扰两种，通过线缆传导和空间耦合的方式进入电气设备，从而影响设备正常工作[2]。根据干扰路径，对干扰信号的防护可从结构屏蔽、电路设计和PCB布局上着手。

2 电磁兼容设计方法

2.1 结构屏蔽设计

设备的壳体外形是对内部系统的电磁保护层，在设计中应考虑电磁兼容，壳体采用屏蔽体的方法是一种电磁防护措施。屏蔽体的电连续性是影响结构件屏蔽效能最主要的因素，因此，屏蔽体结构应尽量简洁、避免不必要的孔洞和缝隙。

孔洞和缝隙是影响屏蔽体结构电连续性和表面阻抗的重要因素，它构成了电磁波的传播路径。如图1所示，屏蔽体的接合面使用凸台和螺钉连接相结合的方法，可以有效避免电磁波从缝隙处进入屏蔽体内。同时对接触面和螺钉孔采用导电氧化处理，使其在高频信号下的阻抗尽量小，为搭接后的壳体提供良好的电连续性，其结构搭接后的阻抗以不大于5mΩ为佳。

图1 凸台连接方式

对于一些辐射大或抗干扰能力差的单板或模块，如电源板，可单独安装在屏蔽盒中，在低成本下减弱单板或模块之间的相互干扰，实现系统内部模块之间的电磁兼容。

产品内部线缆应尽量短，避免干扰信号的耦合和对外发射，同类信号以双绞形式走线，与电路板保持10mm以上距离。

若产品外部有线缆连接，应采用带滤波功能的接插件，对线缆分电源、通讯和信号线，分别双绞屏蔽，通过屏蔽材料保证屏蔽壳体、接插件壳体与线缆屏蔽层的电连续性。屏蔽材料可选用导电橡胶、金属丝网、导电布、导电胶等。

为电磁干扰信号搭接可靠地，也是滤除干扰信号的重要手段。可在设备的外壳设计至少一个专用的附加接地点，且接地点应受到保护，避免影响导电性。将该接地线接至大地，为干扰信号提供可靠地平面。

2.2 电路电磁兼容设计

电磁波在低频时主要通过导体传递，在高频时既可在导体传递，也可在自由空间内传递。电路中的容性和感性负载在不同频率下的阻抗会发生变化。阻抗变化改变了电路的固有特性，为系统的功能稳定性带来了系列影响，因此，在电路设计中，应在接口和关键电路处考虑滤波。

2.2.1 通信电路的电磁兼容设计

对于通信电路，以RS422为例，如图2所示，在接口处应搭LC接滤波电路，再通往后级电路。信号线上的干扰具有共模（CM）和差模（DM）两种电流分量，在一个滤波器中同时对两种干扰进行滤除较困难，可以通过外围滤波电路着重滤除。对Rx+和Rx-各加入一个对地的滤波电容C1和C2，滤除信号线上的干扰，再将其接入一个共模电感L1，用于抑制电路上的共模干扰。Tx+和Tx-同理。

图2 RS422滤波电路示意图

2.2.2 电源电路的电磁兼容设计

对于电源电路，DC/DC内部二极管、电容和电感会引起噪声干扰，同时外部干扰引起电源的抖动可能会对模拟电路带来偏差。对于高频信号，常见的滤波电路有L型、T型和π型，这三种滤波电路都具有阻断高频信号的特征。对于从接口接入的信号，一般选取π型滤波电路，如图3所示。

图3 π型滤波电路

一般在滤波器的输入端和输出端设计两级滤波电路，如图4所示。C1、C2、C3、C6、C7形成第一级滤波电路，C6和C7为共模滤波电容，C1、C2、C3为差模滤波电容。接口端的双向TVS管可抑制浪涌干扰信号，储能电容可预防电源瞬断、跌落和畸变。C4、C5、C8和C9组成第二级滤波电路，C8和C9为共模滤波电容，C4和C5为差模滤波电容。

图4 电源接口电路

在此设计基础上，还应保证电源电磁兼容滤波器壳体与电子设备机壳地可靠接触，具有良好的电连续性。同时，可在电源模块的正端输入和正端输出间加入符合功率要求的电容，为干扰搭接最短回路。

3 PCB电磁兼容设计

对于电路的PCB布局，需考虑自我兼容性，避免数字电路和模拟电路之间的相互干扰，相邻走线之间的空间耦合干扰，高频器件向外空间辐射干扰等。主要方法可总结为PCB分层、布局和分地设计三个方面。

3.1 PCB分层设计

根据产品实际尺寸、实现功能和成本要求，对电路板的PCB布局分层设计。以4层板为例，如图5所示，2个布线层，1个地平面层和1个电源层。图中S层代表布线层，G层代表地平面层，P层代表电源层。S1（TOP层）代表布置主要元器件层。该设计方案在4层板分层设计中电磁兼容性能最优。

图5 四层板设计方案

该设计方案优点为：

1)2个布线层，其层内信号都有与之对应的完整的平面参考层，保证信号有良好的低阻抗回流路径；

2)电源平面P靠近地平面G，两者之间的耦合电容，降低了平面间的阻抗，同时电源层与地平面间产生的寄生电容可为电源层提供很好的高频去耦路径。

3.2 PCB布局设计

在产品电路板固定的情况下，若布局时器件分散，过长的传输线会增加阻抗，降低抗噪能力。若布局时器件放置集中，过近的走线容易产生空间耦合干扰，同时影响散热。因此，应根据电路功能单元布局，同时考虑电磁兼容、散热和接口等因素。设计过程应遵循以下原则：

1)按照电路信号的流程安排布局各功能电路单元，使信号流通保持方向一致，严格保证输入输出元件的距离。

2)尽量缩短高频元器件间的连线，避免长距离平行走线带来的串扰，同时减小它们之间带来的分布参数。

3)时钟电路、高速信号电路、复位信号电路和敏感信号电路，保持间隔，远离板边和接口连接器布局，尽量走内层，防止相互耦合。

4)对滤波器的安装应按照信号流方向布局，尽量靠近接口，避免滤波器前后端的信号交叉走线，且滤波器、电感线圈下方投影区域不能有高速信号或敏感的控制信号走线。若无法避免在其下方走线，则一定考虑线圈的方向，使场强方向和线圈的平面平行，保证穿过线圈的磁力线最少。

5)滤波电路和器件尽量靠近所需滤波的电路和器件，避免空间耦合，影响滤波效能。

3.3 PCB分地设计

当产品的电路设计中涉及信号隔离时，需要进行分地处理。根据隔离需求对不同的信号分别设置地线，如模拟地、数字地、通讯地、保护地等。分地处理可以防止不相容电路的回流干扰信号叠加，防止在公共接地线端互相耦合干扰。如图6所示，分地处理时各个地区域投影部分应与其功能对应的电路在同一区域。

图6 分地设计示意图

以图6为例，通过分地设计，实现输入电源地、滤波后输出电源地、通信地和数字地之间的隔离，避免各个地之间投影重叠和走线的跨分割，对每个底层预留一个对外壳地的跨接电容，为干扰搭接低阻抗回路。

4 结语

冶炼厂自动控制系统中的干扰是一个复杂问题，采取综合防护措施可以将干扰因素进行排除，将干扰减少到最低。做好产品的结构屏蔽、电路原理图滤波措施和PCB走线布局设计，可有效避免电磁干扰，保证系统电磁兼容性。

[1]张华.转炉副枪自动化炼钢系统的开发与实践[J].工业b,2017(1):00254-00254.

[2]史凤敏,陈甘,王健.抗电磁干扰兼容连接器技术在电力自动化系统中的应用研究[J].科技经济导刊,2016(24).