电子控制设备的抗干扰设计研究

2021-10-14王振华姚玉林曹火焰

科技创新与应用 2021年28期

关键词：共模布线屏蔽

王振华，姚玉林，曹火焰

（91515部队，海南三亚 572000）

在科学技术水平不断提升的背景下，传统的电子设备已经逐渐转变为新型的电子控制设备。但是，电子控制设备受到外界电磁的干扰就会相互影响，所以需要从各方面优化电子控制设备的抗干扰设计。

1 干扰概述

从电子控制设备的抗干扰设计这一角度来说，干扰指的是所有不希望存在的信号，即在一个有用的频带当中所有不希望存在的噪声。对于电子控制设备来说，噪声可以通过常模噪声与共模噪声这两种模式对电子设备产生电磁干扰。

（1）常模噪声：常模噪声又被称为对称噪声或线间感应噪声，其原理如图1所示。其中N代表的是噪声源，R象征的是受扰设备，VN是噪声电压，IN是噪声电流，IS是信号电流，噪声电流与信号电流在往返两条线上是保持一致的，所以这种类型的噪声很难消除[1]。

图1 常模噪声原理

（2）共模噪声：共模噪声又被称为不对称噪声或对地感应噪声，其原理如图2所示。噪声电流是以地为公共回路的，会在两条线上都流过一部分，不会在往返两条线路当中流过，所以从某种程度来说这种噪声可以消除[2]。

图2 共模噪声原理

（3）共模噪声与常模噪声之间的转换：因为线路具有不平衡性，所以共模噪声可能会转换为常模噪声，其原理如图3所示。其中，N指的是噪声源，L指的是负载，导线1和导线2之间的对地阻抗是Z1、Z2。在Z1=Z2的情况下，噪声电压V1与V2是相等的，噪声电流I1与I2也是相等的，也就是说噪声电流不流过负载，所以这对于负载L来说就是共模噪声。但如果Z1、Z2不相等的话，VN1与VN2就不相等，IN1与IN2也不相等，所以VN1-VN2=VN，VN/ZL=IN，其中ZL指的是负载阻抗，此时对于负载L来说就是常模噪声[3]。如果出现常模噪声的话，需要综合考虑是否是在线路不平衡状态下由共模噪声转变过来的。

图3 共模噪声转变为常模噪声的原理

共模噪声有交流、直流的区别，一般情况下输入输出线和大地或机壳之间的噪声都属于共模噪声，信号线在静电感应影响下产生的噪声也属于共模噪声。共模噪声的抑制方法较多，例如可以通过隔离、屏蔽等方式进行抑制，同时有很多抗干扰技术都是以抑制共模噪声为主的。

2 噪声传播途径

噪声的传播途径较多，主要是通过接地电路、导线以及空间传播的。通过接地电路传播的方式主要包括地线感应、地线传导以及接地噪声等；通过导线传播的方式有信号线、电源线以及控制线；通过空间传播的方式有静电感应、电磁波以及电磁感应。

3 抑制电磁干扰的策略

3.1 电磁兼容的评价原则

在选择抑制电磁干扰的措施之前需要综合分析电子控制设备电磁兼容的评价原则。一般情况下，都会利用电磁容不等式进行评价，即利用噪声发送量×耦合因素＜噪声敏感度这一不等式进行评价[4]。传导噪声或辐射噪声从噪声源发出之后会通过空间或导线进入到电子控制设备的相应部分，例如进入到输入电路或电源电路当中，变成电子控制设备的噪声。如果这一噪声比电子控制设备的噪声敏感度小的话，电子控制设备就不会受到噪声的干扰，且如果电子控制设备的所有噪声入口都能够满足这一要求，裕量也足够时，电子控制设备就符合电磁兼容的要求。但如果电子控制设备的某入口部位无法满足上述要求，且裕量不足的话，就需要根据实际情况对各个环节进行处理，处理之后再检查是否能够满足不等式的要求。总而言之，为了使电子控制设备达到电磁兼容的目的，就应该综合分析干扰电子控制设备的噪声以及电磁干扰发送量、衰减情况及传播途径，并对电子控制设备的敏感度进行测试，在综合分析各项数据的基础上采用科学有效的能够抑制电磁干扰的措施。

3.2 抑制电磁干扰的措施

抑制电磁干扰的方式较多，常用的有五种，分别是应用抑制干扰的器件或电路、滤波、接地、屏蔽以及合理布线等。

3.2.1 应用抑制干扰的器件或电路

能够抑制干扰的器件有浪涌吸收器与隔离变压器，可以抑制干扰的电路有专用供电线路。

（1）浪涌吸收器

电路在运行过程中可能会出现一些特殊情况，例如会出现一些较大的瞬时电流或电压，这些瞬时电流或电压比正常电流、电压高很多，其中最常见的就是开关浪涌电压与雷电浪涌电流。这时，就可以利用浪涌吸收器抑制干扰，例如利用二极管、新型半导体、雪崩半导体、RC电路、硒整流器、金属氧化物压敏电阻以及气体放电管等[5]。

（2）隔离变压器

隔离变压器的应用范围较为广泛，可以有效解决地线环路因素造成的设备干扰，主要包括普通隔离变压器与含有屏蔽层的隔离变压器两种类型。普通隔离变压器在初级和次级之间没有屏蔽层，可以在一定程度上抑制共模噪声，但是在绕组间寄生电容等因素的影响下，普通隔离变压器的抑制作用会随着频率的升高而降低。带屏蔽层的隔离变压器就是在初级和次级之间含有屏蔽层，这一屏蔽层不会影响到变压器能量的传输，但是会对绕组间耦合电容造成影响，所以需要做好屏蔽层的接地工作。

（3）专用供电线路

只需要简单处理供电线路就可以有效抑制干扰。例如，可以将三相电当中的一相当作干扰敏感设备的供电电源，将另外一相当作外部设备的供电电源，将最后一相当作辅助设备或测试仪器的供电电源，这样不仅可以实现三相平衡，也可以抑制电子控制设备之间的相互干扰。

3.2.2 滤波

滤波是一种选择型网络，主要是由电阻、电容、电感以及有源器件构成的。滤波是电路的传输网络，可以通过有选择性的衰减，输入信号当中不需要的频率分量达到滤波目的。频率特性影响着滤波器，也就是说滤波器的插入衰减会随着工作频率的变化而变化。滤波器的类型较多，其中常见类型有高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器以及带通滤波器。同时，滤波电路当中的滤波元件较多，例如铁氧体磁环、穿心电容器以及三端电容器等，这些滤波原件可以有效优化电路的谐波特性。

3.2.3 接地

接地至关重要，不仅可以达到安全保护的效果，避免出现触电的情况，这被称为安全接地，也可以为电子控制设备提供更加精准的基准电位，称为功能性接地。接地属于系统工程，在设计过程中需要综合考虑，并根据接地的功能将接地划分为安全接地、控制接地与信号接地。同时，设计人员需要根据实际情况设计一点多接、多点接地与混合接地。为了减少出现接地环流的情况，需要应用隔离技术。接地电阻是衡量接地的指标，一般情况下都以10欧姆为主。从电子控制设备的角度来说，在低频电路、高频电路以及混合电路当中需要根据实际情况进行接地设计。第一，在低频电路当中进行接地设计时需要遵循一点接地的原则。在低频电路当中，如果选择多点接地的话，可能会出现接地环路以及闭合等情况，如果低频或脉冲磁场穿过这一环路的话就会出现磁感应噪声，这时不同的接地点之间就会形成电位差，继而造成干扰[6]。所以，设计人员可以通过放射式接地线路或干线式接地线路实现一点接地。第二，在高频电路当中需要设计多点接地。在高频电路当中，即使地线较短也会产生较大的阻抗压降，同时会受到分布电容的影响，无法实现一点接地，所以为了降低接地阻抗、消除分布电容的影响，需要进行平面式多点接地。设计人员需要以一个导电平面为基准点，将接地的各个部分都接到这一基准点上。

3.2.4 屏蔽

屏蔽指的是利用屏蔽材料减少电磁干扰，避免噪声侵入，也可以在设备内部限制内部辐射，避免电磁能量干扰到其他设备。屏蔽包括磁场屏蔽与电场屏蔽两种类型，其中磁场屏蔽是将高导磁材料制作成屏蔽体，而电场屏蔽是将良导体制作成屏蔽体。

3.2.5 合理布线

合理布线是十分重要的抗干扰策略，因为无论是导线的类型、粗细、长短，还是导线的走线方式、线间距离等因素都会影响到噪声耦合，所以需要在坚持布线原则的基础上科学布线。