1、抗干擾技術之 屏蔽、濾波與保護EMC現場電磁干擾連續的周期型干擾（窄帶干擾）脈沖型干擾（寬帶干擾）白噪（寬帶干擾）系統高次諧波載波通訊無線電通訊干擾高頻保護周期性脈沖干擾隨機性脈沖干擾電力電子器件動作產生的高頻涌流（可控硅整流、靜止無功補償器等） 高壓線路上的電暈放電 其它電氣設備的內部放電 分接開關動作產生的放電 電機啟動產生的電弧放電 接觸不良或懸浮電極放電 各種沖擊波產生的高頻電流脈沖 設備熱噪聲 地網中的噪聲設備動力電源線、繼電保護線路以及各種信號線路耦合進入的隨機噪聲圖1 現場電磁干擾分類表50Hz2kHz150kHz50MHz300MHz1GHz16Hz1250Hz20 kHz音頻

2、噪聲傳導射頻干擾分諧波諧波音頻與射頻間的干擾輻射干擾電磁干擾源電磁干擾的抑制方法 電磁干擾的主要抑制方法屏蔽 抑制輻射干擾濾波 抑制傳導干擾接地 最基本的干擾抑制方式保護 抑制能量型干擾 6.1 屏蔽 屏蔽技術用來抑制電磁干擾沿空間的傳播。 其實質是將關鍵電路用屏蔽體包圍起來，是耦合到這個電路的電磁場通過反射和吸收被衰減。現場主要 輻射源 無線電干擾 射頻干擾 移動通訊干擾 （900MHz1.8GHz） 雷達干擾 交流干擾小環天線與短單極天線的波阻抗 Z 與距離r 的關系 6.1.1 近場與遠場 電磁干擾沿空間的傳播是以電磁波的方式進行的，可分為近場和遠場。 近場與遠場的判別條件為 d = /

3、 2 （6-1） d為臨界距離， 為輻射信號的波長。例1 如果屏蔽體局干擾源的距離d =1 m，根據判別條件 d = / 2 = 1 m 可求出相應的臨界頻率 f0 = c / = 47.7MHz 那么此時對于頻率f f0的輻射可認為是遠場平面波；而當頻率 f 10 dB時，該修正因子可以忽略。Z = 377 ( )近場電場近場磁場遠場 屏蔽材料rr銀1.06411.031.03鋁0.6110.700.78黃銅0.3510.590.59不銹鋼0.022002.000.01熱軋硅鋼0.03815007.590.0051冷軋鋼0.171805.530.031常用金屬屏蔽材料的r 和 r（銅r=1，

4、 r=1）由于 d 2/，屬近場干擾，且干擾場強以磁場為主。例2 設環狀輻射源頻率f =15 kHz, 在與輻射源相距50cm處有厚度t=0.5mm厚的鋁制屏蔽機箱，其屏蔽效能可作如下估計，所以，需考慮多重反射的影響。 Z=0.06 ，Zs=5.810-5 B = -2.3 dB故該屏蔽機箱的總屏蔽效能為 SE =A + RH+ B = 52.2 dB可見，在這種情況下，屏蔽是以吸收損耗為主的。 6.1.3 屏蔽的基本原則近場電場輻射屏蔽的必要條件是采用高導電率金屬屏蔽體和接地。近場低頻磁場屏蔽可采用高導磁率材料進行屏蔽或磁旁路。增加屏蔽體厚度或采用多層屏蔽，可提高屏蔽性能。屏蔽體不需接地。近

5、場高頻磁場，應采用高導電率金屬，因頻率較高時，磁損將增加，高磁導率材料的屏蔽效果并不理想。遠場電磁屏蔽應采用高導電率金屬并良好接地。實踐表明，低頻磁場是在線監測中最難屏蔽的，主要因為， 低頻 吸收損耗 A 小 磁場 反射損耗 R 小 屏蔽低頻磁場主要采用高導磁率材料，以提高吸收損耗。但應注意以下問題。 1. 材料手冊上通常給出的是直流下的磁導率。但一般直流時磁導率越高，隨頻率的升高，下降的也越快。 2. 高導磁率材料在經過加工或受到沖擊時，導磁率會明顯下降。 3. 高導磁率材料會在強磁場中飽和，喪失屏蔽效能。 為解決強磁場下，屏蔽材料的磁飽和問題，可采用雙層屏蔽。H0H1H2低導磁率高飽和強度

6、材料高導磁率低飽和強度材料 另一種較常用的復合屏蔽，是在高導磁材料表面涂覆高導電材料。 這種屏蔽材料對高頻和低頻電磁干擾都有比較理想的屏蔽效能。硅鋼銅鎳 6.1.3 孔縫屏蔽 屏蔽效能的計算，通常認為屏蔽體是一個完全封閉的金屬殼。但實際上任何屏蔽箱體都存在必要的穿孔和縫隙。 因此屏蔽設計的關鍵就是如何保證屏蔽的完整性，使屏蔽效能盡量得以恢復到接近理論計算值。1. 導電襯墊 屏蔽機箱上的永久性接縫都應采用焊接工藝密封。非永久性結合面通常采用螺釘緊固，導電襯墊是減小接縫電磁泄漏的重要屏蔽材料。 應有足夠的彈性和厚度； 應耐腐蝕； 移阻抗應盡可能低。 壓縮變形或壽命應符合要求。 2. 截至波導式通風

7、板 為滿足屏蔽機箱的散熱要求，有時需要開始通風孔洞，如果處理不好，常常是屏蔽性能下降的重要原因。通常采用截至波導式蜂窩板,屏蔽效能在1GHz時，可達120dB. 工作頻帶寬，直到微波頻段仍有較高的屏蔽效能； 對空氣阻力小，風壓損失少； 機械強度高，工作可靠穩定。 3. 屏蔽窗 監測系統的顯示器必須使用屏蔽窗以防止電磁穿透。 目前工業控制中常用的剛性平面屏蔽窗在9kHz到1.5GHz頻率范圍內，屏蔽效能可達80dB以上。 4. 操動器件的處理（1）信號頻率較高時，可利用截至波導管設計操作通道。（2）信號頻率較低時，可利用隔離艙將操作器件與其他電路隔離。 5. 穿過屏蔽體的導線 盡管當屏蔽體的孔洞

8、遠小于波長時，不會嚴重影響屏蔽體的屏蔽效能，但當有導線穿過這些孔洞時，就會導致屏蔽體屏蔽性能明顯下降。 ( a ) 由屏蔽電纜與機箱構成全密封體。注意電纜屏蔽層應與機箱360搭接。( b ) 將導線中可能存在的電磁干擾濾除。 6.1.4 電纜輻射及其抑制電纜屏蔽體 電纜是干擾出入屏蔽體的主要途徑。由于屏蔽機箱不允許有任何導線穿過，否則屏蔽效能將大幅度下降。 雖然使用良好接地的電纜能夠有效的減小電纜的輻射/接收能力，但另一方面在很大程度上也取決于電纜端部的連接方式。 為了阻止干擾電流流過電纜的芯線和屏蔽層，一種簡單可行的方法就是采用濾波連接器。多層陶瓷盤狀陣列電容器鐵氧體磁珠( b ) 等效電路

9、( a ) 等效電路 該連接濾波器能夠對 30300MHz 頻率范圍內的干擾電流產生30dB的衰減。電纜濾波器連接器電纜屏蔽機箱 使用濾波器時最重要的就是保證接地良好， 使用板上濾波器時接地線應盡量短。 必須保證濾波器與屏蔽機箱有良好的接觸。 6.2 濾波 當干擾頻譜成分不同于有用信號的頻帶時，可以用濾波器將干擾加以濾除。濾波器將有用信號與干擾的頻譜隔離的越完善，它對減少有用信號中的干擾的效果就越理想。 因此恰當地設計、選擇和正確地使用濾波器，對抑制傳導干擾是非常重要的。 6.2.1 濾波器的構造 在抗干擾設計中，濾波器通常是指低通濾波器，如電源濾波器和信號線濾波器等. 濾波器的有效性取決于與

10、濾波器連接的網絡阻抗。濾波器構造與阻抗的關系簡單的電感濾波在低阻抗電路中，效果理想，衰減超過40dB，但在高阻抗電路中就效果很差。單電容濾波在高阻抗電路中效果很好，但對低阻電路效果很差。多元件構成的濾波器，應使電容器面對高阻抗，電感器面對低阻抗。基本構造原則 但應強調的是濾波器元件與其他電路元件一樣，也是非理想的。電感線圈上存在寄生電容，而電容引線上存在寄生電感。 所以使用分立元件濾波器當頻率超過10MHz時，將開始性能下降。 濾波器在屏蔽體內的位置也很重要，其輸入輸出線之間應盡量遠離，最好在屏蔽體兩側，以使相互間耦合電容最小。所有連線，特別是地線，要盡量短，并按順序布置。濾波器的放置濾波器不

11、同放置方式 6.2.2 濾波元件 在濾波器設計中，通常會使用一些專用的元件。1. 三端電容器 除了簡單的電感性濾波器之外，任何低通濾波器都要使用旁路電容。由于電容器引線電感的存在，濾波器的高頻性能將受到限制。 如果將電容器的輸入和輸出端分開，則引線電感可以得到利用。 2. 饋通電容器 對于信號線濾波器，當在UHF或更高頻段內要獲得更好的濾波效果，特別是為了保護屏蔽體不被導線穿透時，必須使用饋通濾波器。 饋通電容器外表面直接用螺紋或焊接的方式連接到金屬屏蔽體構成接地，由于地電流分散在中心導體的360的范圍內，以此實際上不存在電感，電容可以在超過1GHz的頻率范圍內，保持良好特性。外形等效電路饋通

12、電容器的結構 3. 片狀電容器 由于片狀電容器的引線電感幾乎為零，所以被認為是作為旁路和去耦電容器的理想器件。其引線電感通常只是傳統電容器的1/3 1/5，因此它們的自諧振頻率可以達到同樣容量的帶引線電容器的2倍。 為了避免走線引入附加電感，連接旁路和去耦電容器的引線要盡量短直。 在實際工程應用中，旁路和去耦電容是減小印制電路板和邏輯器件上產生的瞬態干擾電流的有效方法。 6.2.3 電源濾波器 由于在現場，電源是許多設備公用的，同時公共電源通常也無屏蔽措施。所以在線監測設備的電源線是引入傳導干擾的主要來源。 電源濾波器實際上是一種低通濾波器，它能夠毫無衰減地將直流、50Hz、400Hz的電源功

13、率傳送給設備，卻大大衰減進電源傳入的干擾信號。0.0 ms16.67 ms來自電源外部的干擾信號(a) 電源濾波器外觀(b) 等效電路LNL1L2CY1CY2CXEE 電源濾波器通常包括火線對地 ( L-E ) 和零線對地 ( N-E ) 兩個獨立端口間的低通濾波器,用以抑制電源系統內存在的共模干擾；利用電感L1和L2之差和CX構成火線對地( L-N )端口的低通濾波器，用來抑制電源上存在的差模干擾。 電源濾波器是無源網絡，具有互易性。它既能有效抑制來自電源的干擾信號，同時也能衰減由測量設備產生的干擾傳向電源。 1. 插入損耗 電源濾波器的性能有插入損耗IL來表示 IL=20log(E1/E2

14、) (dB)上式中， E1為未接電源濾波器時接收機測得的信號源輸出電壓。 E2為接入電源濾波器后接收機測得的信號源輸出電壓。 產品說明中所給出的插入損耗曲線，都是按有關標準規定，在50系統內測得的。但在實際應用中，通常濾波器的兩端阻抗都不一定是50，這種情況下應對插入損耗進行估計，上式中， Zs 源阻抗； ZL 負載阻抗； Zt 50系統中的轉移阻抗 ，由產品說明書給出。2. 失配端接 在實際用中，要達到有效抑制干擾的目的，必須對濾波器兩端的需連接的阻抗特性進行很好的配合。 因為當濾波器輸出阻抗與外部端接阻抗失配時，將在端口產生反射，反射系數 定義為 有意造成這種失配， 利用反射現象，可以更加

15、有效地抑制干擾信號。3. 電源濾波器的安裝 在實際用中，濾波器的安裝是應當非常重視的，不恰當的安裝，將使濾波器失去其應有的作用。不正確的安裝（一） 最不應當出現的是，在捆扎設備電纜時，把濾波器輸入端和輸出端引線捆扎在一起，這無疑將導致輸入端和輸出端的電磁耦合，破壞了濾波器的性能。不正確的安裝（二） 安裝時，應盡量避免使用過長的接地引線。正確的安裝方式（a）較 好（b）最 好 6.3 保護 6.3.1 瞬態能量型干擾 快速瞬變脈沖群 雷擊浪涌 靜電放電 6.3.2 瞬態干擾吸收器 避雷管 壓敏電阻 TVS1. 避雷管 避雷管是一種氣體放電管。 當兩端出現較高的瞬變電壓時，管內氣體電離，使避雷管連端電壓迅速將到一個很低的水平，使大部分瞬態能量被轉移掉。避雷管對瞬態干擾的抑制作用 避雷管具有很強的浪涌電流吸收能力，同時具有很高的絕緣電阻（104M）和很小的寄生電容(小于2pF)，所以不會對測量設備的正常工作，產生任何有害影響。非常適用于在線監測的傳感器輸入保護。 但避雷管對浪涌電壓的響應水平低。所以對快脈沖的保護不理想。 2. 壓敏電阻 壓敏電阻主要成分為氧化鋅、鉍、鈷等金屬氧化物，是。電壓敏感型器件。兩端電壓低于額定電壓時，其電阻無窮大；而兩端電壓稍微超過額定值后，電阻值便急劇下降，響應時間為納秒級。 壓敏電