电路设计中的抗干扰问题

摘要: 由于电磁干扰不仅影响电子电路工作的可靠性和稳定性,而且会使电路的性能下降,因此在进行电路设计时必须解决好电路的抗干扰问题。本文从接地的设置和屏蔽方式的选择两个方面介绍了如何采取合理的方法解决电路的抗干扰问题。

Abstract: Because the electromagnetic interference not only influences the reliability andstability ofthe electronic circuit, but also causes the electronic circuit's performance drop, therefore, when we carry on the circuit design ,we must solve the electronic circuit's interference problem. This article introduces the ground connection settingsand the shield way's choice and describes how to adopt the reasonable method to solve the electronic circuit's interference problem.

关键词: 干扰;接地;屏蔽

Key words: anti-interference;ground connection;shield

中图分类号:TM1 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)31-0179-02

0引言

目前,多种多样的电气和电子设备已广泛应用于国民经济的各个方面,而且还在继续迅速地扩大和发展。与此同时,电磁干扰现象也随之增大并日趋严重,它不仅对信号的产生、传播和接收造成了极大的影响,影响电子电路工作的可靠性和稳定性,而且会使电路的性能下降,严重的还会使电路无法正常工作。因此,在进行电路设计时必须解决好电路的抗干扰问题。

形成干扰的基本要素有三个:①干扰源,指产生干扰的元件、设备或信号。②传播路径,指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。③敏感器件,指容易扰的器件。

从理论上讲,无论是何种干扰源和经过何种传播途径在电路上形成的干扰信号,其作用原理都没有超出电子电工学范畴,但是由于干扰源、传播途径及敏感器件都隐藏很深,为查明形成干扰的原因常常需要耗费大量的时间和精力,而解决的措施可能非常简单,但有时却不得不修改设计或变动安装结构才能解决问题,所以在设计电路的时候先考虑干扰可能的形成原因而采取一定的措施是十分必要的。

除了在电路设计时采用提高共模抑制比、加入去耦滤波电路、选用光电耦合等措施外,合理的接地和良好的屏蔽是解决大部分干扰的重要措施。

1接地

电子电路中的“地”是指电路系统的参考零电位点,是人为设定的相对零电位点,与大地的电位并不一定相同。接地在电力和电子技术中,既简单,又复杂,但是必不可少。接地的类型按照作用可以分为安全接地、防雷接地、工作接地。对电路的抗干扰作用而言,这里仅讨论工作接地。

工作接地是为电路正常工作而提供的一个基准电位,该基准电位可以设为电路系统中的某一点、某一段或某一块等。当该基准电位与大地连接时,基准电位视为大地的零电位,而不会随着外界电磁场的变化而变化。当该基准电位不与大地连接时,视为相对的零电位。但这种相对的零电位是不稳定的,它会随着外界电磁场的变化而变化,使系统的参数发生变化,从而导致电路系统工作不稳定。不合理的工作接地会增加电路的干扰。比如接地点不正确引起的干扰,电子设备的共同端没有正确连接而产生的干扰。

为了有效控制电路在工作中产生各种干扰,使之能符合电磁兼容原则。我们在设计电路时,根据电路的性质,可以将工作接地分以下为不同的种类,比如信号地、数字地、模拟地、功率地等。不同的接地应当分别设置,不能在一个电路里面将它们混合设在一起,例如数字地和模拟地就不能共一根地线,否则两种电路将产生非常强大的干扰,使电路陷入瘫痪。

1.1 信号地信号地是指信号电路、逻辑电路和控制电路的地,是各种物理量信号源零电位的公共基准地线。由于信号地必须通过导线连线.而任何导线都有一定的阻抗.流过各线的电流有所不同,因此,各个接地点的电位不完全相同。而且信号一般都较弱,易受干扰,不合理得接地会使电路产生干扰,因此对信号地的要求较高。信号地的连接应注意:同一设备的信号输入端地与信号输出端地不能联在一起,否则,信号可能通过地线形成反馈,引起信号的浮动。这在设备的测试中,信号地的连接尤其要引起注意。

1.2 模拟地和数字地在一些电子电路中同时有模拟信号和数字信号,模拟电路中有小信号放大电路,多级放大,整流电路,稳压电路等等,而数字电路都工作在脉冲状态,脉冲的前后沿较陡或频率较高时,电流起伏波动大,会产生大量的电磁波干扰电路。若两种信号间的耦合还采用电耦合,则在其地线间必定会互相干扰,造成模数间转换不稳定。为了消除这种干扰,最好采用两套整流电路,分别供给模拟部分和数字部分,信号间采用光耦合器进行耦合,这样即可把两套电源间的地线实现电隔离。

1.3 功率地功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高,如果接地的地线电阻较大,会产生显著的电压降而产生较大的干扰,所以功率地线上的干扰较大。因此功率地必须与其它弱电地分别设置,以保证整个系统稳定可靠的工作。

2屏蔽

屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离,以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。即用金属屏蔽材料将电磁干扰源封闭起来,使其外部电磁场强度低于允许值的一种措施;或用金属屏蔽材料将电磁敏感电路封闭起来,使其内部电磁场强度低于允许值的一种措施。具体讲,就是用屏蔽体将元器件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来,防止干扰电磁场向外扩散;用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来,防止它们受到外界电磁场的影响。屏蔽按机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。

2.1 电场屏蔽当干扰源产生的干扰是以电压形式出现时,干扰源与电子设备之间就存在容性电场耦合,以这种情况下,最有效的抗干扰办法是采用电场屏蔽。电场屏蔽实际上是抑制寄生电容耦合的影响。它采用金属屏蔽体包封电子元器件或设备,只要设法使金属屏蔽体良好接地,就能将电场终止于导体表面,并通过地线中和导体表面上的感应电荷,从而防止由静电耦合产生的相互干扰。电场屏蔽以反射为主,因此设计时要注意:屏蔽体的厚度不必过大,而以结构强度为主要考虑因素;屏蔽体以靠近受保护物为好;屏蔽体的形状对屏蔽效能的高低有明显影响;屏蔽体的接地必须良好。

2.2 磁场屏蔽当干扰源以电流形式出现时,此电流所产生的磁场通过互感耦合对临近信号形成干扰。抑制这类干扰,有效办法是进行磁场屏蔽。磁场屏蔽是把磁力线封闭在屏蔽体内,从而阻挡内部磁场向外扩散或外界磁场干扰进入。

磁场屏蔽首先应注意到干扰源的频率高低,因为随干扰频率的不同,屏蔽原理也不同,它将涉及到屏蔽材料的选用以及屏蔽壳体设计、制作等诸方面的问题,若不加分析就不可能达到抑制干扰的效果。

为了抑制恒定磁场和缓变磁场的影响,可采用相对磁导率大的材料构成低磁阻通路,使大部分磁场被集中在屏蔽体内。屏蔽材料的屏蔽效能主要由吸收损耗和反射损耗两部分构成,低频磁场由于其频率和波阻抗较低,故吸收损耗和反射损耗都很小。为了提高屏蔽材料的屏蔽效能,要重点考虑材料的吸收损耗和反射损耗,可在高磁导率材料的表面增加一层高电导率的材料。通常采用铁磁性材料如铁、硅钢片、坡莫合金等进行磁场屏蔽。

对于高频交变磁场多采用高电导率的非磁性金属加以屏蔽,利用良导体在入射高频磁场作用下产生涡流现象达到屏蔽目的。对于强磁场的屏蔽可采用双层磁屏蔽体的结构,要屏蔽外部强磁场的,则屏蔽体的外层选用不易饱和的材料,如硅钢;而内部可选用容易达到饱和的高导磁材料。反之,如果要屏蔽内部强磁场时,则材料的排列次序要到过来。在安装内外两层屏蔽体时,要注意彼此间的绝缘。当没有接地要求时,可用绝缘材料做支撑件。若需接地时,可选用非铁磁材料(如铜、铝)做支撑件。

2.3 电磁场屏蔽电磁场屏蔽是利用屏蔽物阻止电磁场在空间传播的一种措施,主要用于防止在高频下的电磁感应。一般采用电导率高的材料作屏蔽体,并将屏蔽体接地。它是利用电磁波在屏蔽体表面上的反射和在屏蔽体中传播的急剧衰减来隔离交变电磁场的相互耦合,利用在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰,又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。

通过以上的分析,在电子电路的设计过程中设置合理的接地方式和选择良好的屏蔽方式能够较好的克服外界干扰所带来的问题。

参考文献:

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