电磁干扰和抑制方法的研究

弱电工程中电磁干扰及其抑制方法的研究

（洲坝通信工程方宏坤 151120）

【摘要】在弱电工程应用领域，强电与弱电交叉耦合，电磁干扰（EMI）错综复杂，严重影响弱电系统的稳定性和安全性。本文详细介绍了 EMI 产生的原因、分析EMI/RFI的特性，及其传输途径和危害，利用电磁理论和工程实践，分析并提出了一些在弱电工程领域行之有效的 EMI 抑制方法。

【关键词】弱电电磁干扰（EMI）射频干扰（RFI）干扰抑制

随着计算机技术，特别是网络技术的飞速发展，IT技术在弱电工程领域的广泛应用，IT设备日益精密、复杂，使得电子干扰问题日趋严峻。它可使系统的稳定性、可靠性降低，功能失效，甚至导致系统完瘫痪和设备损坏。特别是EMI／RFI（电磁干扰／射频干扰）问题，已成为近几年弱电工程领域的焦点。

1、电磁干扰分类和特性

生活中电磁干扰无处不在，其干好错综复杂。通常我们把电磁干扰主要划分为电磁干扰（EMI）、射频干扰（RFI）和电磁脉冲（EMP）三种，根据其来源可分为外界和部两种，严格的说所有电子运行的元件均可看作干扰源。本文中所提EMI是对周围电磁环境有较强影响的干扰；RFI则从属于EMI；EMP 是一种瞬态现象，它可由系统部原因（电压冲击、电源中断、电感负载转换等）或外部原因（闪电等）引起，能耦合到任何导线上，如电源线和通信电缆等，而与这些导线相连的电子系统可能受到瞬时严重干扰或使系统的电子电路永久性损坏。图 1 给出了常见 EMI／RFI 的干扰源及其频率围。

1.1 EMI特性分析

在电子系统设计中，应从三个方面来考虑电磁干扰问题：首先是电子系统产生和发射干扰的程度；其次是电子系统在强度为 1～10 V/m、距离为 3 米的电磁场中的抗扰特性；第三是电子系统部的干扰问题。利用干扰三要素分析与EMI相关的问题需要把握EMI的五个关键因素，这五个关键因素是频率、幅度、时间、阻抗和距离。

在EMI分析中的另一个重要参数是电缆的尺寸、导线及护套，这是因为，当EMI成为关键因素时，电缆相当于天线或干扰的传输器，必须考虑其物理长度与屏蔽问题。

1.2 RFI特性分析

无线电发射源无处不在，如无线电台、移动通信、发电机、电动机、电锤等等。所有这些电子活动都会影响电子系统的性能。无论RFI的强度和位置如何，电子系统对RFI必须有一个最低的抗扰度。在通信、无线电工程中，抗扰度定义为设备承受每单位RFI功率强度的敏感度。从“干扰源—耦合途径—接收器”的观点出发，电场强度E 是发射功率、天线增益和距离的函数，即

E=5.5·√P·G

d

式中P为发送功率（mW／cm2），G为天线增益，d为电路或系统距干扰源的距离（m）。

由于模拟电路一般在高增益下运行，对RF场比数字电路更为敏感，因此，必须解决μV级和mV级信号的问题；对于数字电路，由于它具有较大的信号摆动和噪声容限，所以对RF场的抑制力更强。

1.3 干扰途径

任何干扰问题可分解为干扰源、干扰接收器和干扰的耦合途径三个方面，即所谓的干扰三要素。如表 2 所示。

表2

干扰源耦合途径干扰类型接收器

共地阻抗传导干扰

辐射场到互连电缆（共模）辐射干扰

微控制器辐射场到互连电缆（差模）辐射干扰

有源器件电缆间串扰（电容效应）感应干扰微控制器

静电放电电缆间串扰（电感效应）感应干扰通信接收器

通信发射机电缆间串扰（漏电导）传导干扰有源器件

电源电缆间串扰（场耦合）辐射干扰其他电子系统扰动电源线到机箱传导干扰

雷电辐射场到机箱辐射干扰

设备到设备辐射辐射干扰

设备间的传导传导干扰

干扰信号是通过传导、辐射和感应（电容效应与电感效应，干扰源和接收器相距小于数个波长）到达接收器。如果干扰信号的频率小于30 MHz，主要通过部连接耦合；如果大于30MHz，其耦合途径是电缆辐射和连接器泄漏；如果大于300MHz，其耦合途径是辐射。许多情况下，干扰信号是一宽带信号，其耦合方式包括上述所有情形。

2、无源元件在EMI／RFI环境中的特性

无源元件的合理使用可减小EMI／RFI对电路或系统的影响，对于弱电工程师，应对抗干扰的主要工具——无源元件有足够的了解，特别是它们的非理想作用。图2 给出了无源器件在电路中的非理想特性。

元件低频高频响应

导线

电容

电感

电阻

线

图2 无源器件在电路中的非理想特性

从图2可以看出，在很高频率时，导线变成了反射线，电容变成了电感，电感变成了电容，电阻变成了共振电路。在低频时，导线具有很低的电阻（＜0．0656Ω/m），但它的寄生电感约为0.079 nH／m；当频率达到几MHz以上时，就变成了电感，由于电感的不可控性，最终使其变成一根发射线。根据天线理论可知，无端接的传输线将变成一个具有增益的天线。

3、低通滤波器在抑制 EMI／RFI 中的应用

低通滤波器对共模和差模噪声有较强的抑制作用。干扰的耦合途径有信号输入、信号输出和电源供应三个点，所以采用0．1μF 的高频瓷电容对所有的电源供应端进行退耦；采用截止频率高于信号带宽 10～100 倍的低通滤波器对所有的信号线进行滤波。

对于低通滤波器，必须保证在预期的最高频率段也是有效的，因为，实际的低通滤波器在高频时会出现泄漏现象，如图4 所示。这是由于寄生电容引起电感效率的损失，寄生电感引起电容损失所造成的。对于低通滤波器（电感、电容组成），当输入信号频率比滤波器截止频率高 100～1000 倍时，就发生泄漏现象。为此，一般不采用一级低通滤波器，而是分为低频带、中频带和高频带且每个频带单独设置滤波器。

低频带宽为10 kHz～1 MHz；中频带宽为1 MHz～100 MHz；高频带宽为100 MHz～1GHz。在低通滤波器中，如果存在任何对地阻抗，该阻抗便成为高频噪声的旁路路径，因此，滤波器的地应是宽频带且连接到低阻抗点或地线层上，以优化滤波性能。另外，高频电容的引脚应尽可能短，最好采用低电感表面贴片式瓷片电容。

4、电源中 EMI 的抑制措施

实际弱电工程中，开关电源工作时振荡频率高达数百千HZ，其二次，三次及多次谐波更是高达数MHz。这些电磁波一方面以无线电波的形式向周围空间发散，另一方面会通过市电供电电路向外传波，从而干扰电子设备的正常工作。

（1）开关电源的抗干扰抑制

对于开关电路来说，合理的设计布局和接地可以对电路中产生的辐射噪声进行有效抑制。

A、合理电路布局可起到抗干扰效果

在电路设计中：①将散热元器件如功率开关器件、稳压器、变压器等安装在印制板的上方，以利于散热；热敏元件应尽量远离散热元件。②在高频电路中，尽可能缩短高频元器件之间的连线，减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰；尽量减小由高频脉冲电流所包围的面积。③输入和输出元件应尽量远离。

B、合理的接地可起到抗干扰的效果

在电路设计中：①尽量减小接地回路中的公共电阻，且应遵循“一点接地”原则。

②交流电源地与直流电源地分开。通常采用“浮地技术”将交流电源地与直流电源地分开，这样可以隔离来自交流电源地线的干扰。③功率地与弱电地分开。由于负载电