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电源电子设备的电磁兼容探析

邵维范; 徐作华| 电子设备,电磁兼容性,干扰源,有效抑制| 2010-11-22
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【中心议题】

  • 论述了电子设备的电磁兼容性问题
  • 介绍了有效抑制和防止干扰的各种措施及其原理

【解决方案】

  • 接地
  • 屏蔽
  • 滤波
  • 元器件的合理选择

电子设备的广泛应用和发展,使它们在其周围空间产生的电磁场电平不断增加。这说明电子设备不可避免地在电磁环境(EME)中工作。因此,解决电子设备在电磁环境中的适应能力是相当必要和重要的。

1电磁兼容性(EMC)是指设备(或系统)在其电磁环境中符合要求运行并且对其环境中的任何设备不产生无法忍受的电磁干扰的能力。

EMC的要求有两方面:一是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值(不干扰其它电子产品);二是指器具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性(不被其他电子产品干扰)。电磁兼容性(EMC)是一门关于抗电磁干扰(EMI)影响的科学。控制和消除电磁干扰,使电子设备或系统与其它设备在一起工作时,不引起任何部分的工作性能的恶化或降低,是电磁兼容研究的中心课题。

2电磁干扰的三个基本要素

电磁干扰(EMI)是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音。

任何一个电磁干扰的发生三个必备条件是:首先应具有干扰源;其次要有传播干扰能量的途径和通道;然后还必须有被干扰对象的响应。在电磁兼容性理论中把被干扰对象统称为敏感设备。因此干扰源、干扰传播途径(或传输通道)和敏感设备称为电磁干扰的三个基本要素。

3电磁干扰源的分类

电磁干扰是影响电子设备电磁兼容性的主要因素,其分类方法有多种,具体如下:

一般来说电磁干扰源分为两大类:自然干扰源与和人为干扰源。

自然干扰源主要指于大气层的天电噪声、地球外层空间的宇宙噪声。它们是地球电磁环境的基本组成要素,又是对无线电通讯和空间技术造成干扰的干扰源。

人为干扰源是指有机电或其它人工装置产生的电磁能量干扰,其中专门用来发射电磁能量的装置称为有意发射干扰源,如广播、电视、通信、雷达和导航等无线电设备。另一部分是在完成自身功能的同时附带产生电磁能量的发射称为无意发射干扰源,如交通车辆、架空输电线、照明器具、电动机械、家用电器以及工业、医用射频设备等等。

 

从电磁干扰属性来分,可以分为功能型干扰源和非功能性干扰源。

功能性干扰源系指设备实现功能过程中造成对其他设备的直接干扰;非说功能性干扰源是指用电装置在实现自身功能的同时伴随产生或附加产生的副作用,如开关闭合或切断产生的电弧放电干扰。

从干扰信号的频率范围来分。可以把干扰源分为工频与音频干扰源(50Hz及其谐波)、甚低频干扰源(30Hz以下)、载频干扰源(10kHz~300kHz)、射频及视频干扰源(300kHz)、微波干扰源(300MHz~100GHz)。

从电子设备的内外因素来分,可分为内部干扰和外部干扰。

内部干扰是指电子设备内部各元部件之间的相互干扰,包括以下几种:

工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电造成的干扰(与工作频率有关);信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合,或导线之间的互感造成的干扰;设备或系统内部某些元件发热,影响元件本身或其它元件的稳定性造成的干扰;大功率和高电压部件产生的磁场、电场通过耦合影响其它部件造成的干扰。

外部干扰是指电子设备或系统以外的因素对线路、设备或系统的干扰,包括以下几种:

外部的高电压、电源通过绝缘漏电而干扰电子线路、设备或系统;外部大功率的设备在空间产生很强的磁场,通过互感耦合干扰电子线路、设备或系统;空间电磁波对电子线路或系统产生的干扰;工作环境温度不稳定,引起电子线路、设备或系统内部元器件参数改变造成的干扰;由工业电网供电的设备和由电网电压通过电源变压器所产生的干扰。

4干扰的传递途径

当干扰源的频率较高、干扰信号的波长又比被干扰的对象结构尺寸小,或者干扰源与被干扰者之间的距离r>>λ/2π时,则干扰信号可以认为是辐射场,它以平面电磁波形式向外辐射电磁场能量进入被干扰对象的通路。

干扰信号以漏电和耦合形式,通过绝缘支承物等(包括空气)为媒介,经公共阻抗的耦合进入被干扰的线路、设备或系统。

干扰信号可以通过直接传导方式引入线路、设备或系统。

5电磁兼容性设计的基本原理

5.1接地

接地有三个作用:

接地使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位,保证电路系统能稳定地干作。

防止外界电磁场的干扰。机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放,否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。

保证安全工作。当发生直接雷电的电磁感应时,可避免电子设备的毁坏;当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其它原因直接与机壳相通时,可避免操作人员的触电事故发生。

 

因此,接地是抑制噪声防止干扰的主要方法。为了防止雷击可能造成的人身安全和设备损坏,电子设备的机壳等,必须用接地保护。

5.2屏蔽

屏蔽体具有减弱干扰的功能。

选择屏蔽体材料的原则有以下几点:

当干扰电磁场的频率较高时,利用低电阻率的金属材料中产生的涡流,形成对外来电磁波的抵消作用,从而达到屏蔽的效果。

当干扰电磁波的频率较低时,要采用高磁导率的材料,从而使磁力线限制在屏蔽体内部,防止扩散到屏蔽的空间去。

在某些场合下,如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时,往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。

5.3其它抑制干扰方法

滤波。滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施。滤波器可以显著地减小传导干扰的电平,对于干扰信号有良好的抑制能力,从而起到其它干扰抑制难以起到的作用。

正确选用无源元件。元件本身可能就是一个干扰源,因此正确选用无源元件非常重要。

有时也可以利用元件具有的特性进行抑制和防止干扰。

总之,保证设备的电磁兼容性是一项复杂的技术任务,有效地解决电磁兼容问题在日常生产生活中具有重要的意义。我们要在这方面有所突破,有所发展,就要掌握有关电磁兼容的基本原理,认真分析,敢于创新,就一定能找到比较稳妥的解决问题方法。


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