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汽车电子可靠性设计(4)

2019-04-25  Clock2651

电磁干扰的抑制方法

一般来说,形成电磁干扰必须同时具备三个因素:

1、存在着电磁干扰源

2、存在着电磁干扰的传递途径

3、存在着接受电磁干扰的敏感设备

通常用以抑制电磁干扰的方法是:

1、对于扰源采取屏蔽、隔离和接地的方法抑制干扰量的发射,采用滤波、阻尼和去耦等方法阻止干扰量的传播。

2、对电子设备或器件采取提高线路信噪比、增大开关时间、提高器件抗干扰门限等方法以降低其电磁敏感度。

3、这些措施在电路设计时都必须予以认真考虑,其中屏蔽、接地和滤波是抑制电磁干扰的三项基本措施。

屏蔽

屏蔽是利用屏蔽体来阻止电磁干扰源的电磁能发射的重要手段。

电场屏蔽简称电屏蔽,它包括静电屏蔽和交变电场的屏蔽。

磁场屏蔽简称磁屏蔽,它包括低频磁屏蔽和高频磁屏蔽。

电磁屏蔽是对电场和磁场同时加以屏蔽,一般是指对高频电路磁场进行屏蔽。

(1)静电屏蔽

图9-16是静电屏蔽示意图。当屏蔽体内存在着带正电荷的导体A时,在屏蔽体的内侧感应出等量的负电荷。


当屏蔽体B末接地时,如图9-16(a)所示,在屏蔽体B的外侧感应出等量的正电荷,实际上没有起到屏蔽作用。

当屏蔽体接地时,如图9-16(b)所示,使得屏蔽体外侧与大地等电位,才能将静电场封闭在屏蔽体内,屏蔽体外侧不形成电场,真正起到屏蔽作用。

图9-17是对外来场的静电屏蔽。由于屏蔽导体为等位体,在屏蔽体内部不会形成电场。在屏蔽体外侧表面,一边形成正电荷,一边形成负电荷。

当屏蔽体完全封闭时,不管屏蔽体是否接地,外电场都不可能侵入屏蔽体内部。

但实际的屏蔽往往不能完全封闭,此时不接地就会引起外电场侵入,形成屏蔽体内外静电耦合,降低屏蔽效能。

交变电场屏蔽

对于交变电场,干扰的传递是通过电路中分布电容进行耦合的。

当干扰源S与受扰设备R间无电屏蔽时,干扰电平Us通过分布电容C耦合到受扰设备上,使受扰设备对地形成一定的感应电压,加在受扰设备对地的分布电容CR两端,如图9-18(a)所示。此时的感应电压为:


当干扰源S与受扰设备R间加人良导体屏蔽体P时,并使P有良好的接地,如图9-18(b)所示,此时的感应电压为:


比较两式可知,即采取了电屏蔽后,受扰设备所承受的电磁干扰将大大成小。


分布电容C2>>Csr,是因为屏蔽体P比干扰源S更靠近受扰设备R,且P的尺寸比S的尺寸大。

(2)磁场屏蔽

简称磁屏蔽,它包括低频磁屏蔽和高频磁屏蔽。

低频磁屏蔽是指对变化频率在1KHz以下的干扰磁场的屏蔽,采用高导磁材料制成屏蔽罩,对干扰磁场进行分路。

根据分磁原理,把本来要穿过受扰设备形成低频磁场干扰的磁力线,吸收到磁屏蔽低磁阻通道内来.从而大大减小穿过受扰设备的磁力线,即降低干扰。

根据屏蔽原理,屏蔽材料导磁性能越高,低频磁屏蔽效果越好。

屏蔽罩通道截面越大,屏蔽效果越好,但随之成本提高、体积和质量增大。同时应注意在屏蔽罩上与磁力线垂直的方向不得有开口或缝隙,因为这样的开口或缝隙将导致磁阻增大,分磁作用减小,磁屏蔽效能降低。

铁磁材料存在着磁滞损耗和涡流损耗,频率越高,损耗越大,导磁率将明显下降。只适用于作低频磁场的屏蔽-高频磁场的屏蔽应采用良导体材料(如铜、铝)。其屏蔽原理是利用电磁感应现象在屏蔽罩表面所产生的高频电涡流反磁场特性来达到屏蔽高频磁干扰的。

即是说,当高频干扰磁力线入射屏蔽罩时,在屏蔽罩表面产生高频电涡流,电涡流频率越高、强度越大,阻止磁力线穿过的能力越强,使得入射到屏蔽罩的高频磁力线被反射回去,即把高频磁干扰排斥在屏蔽罩之外,使罩内的设备免受高频磁干扰。

由于需要产生尽可能大的反磁场电涡流,因而选择涡流回路电阻小的良导体。

为了不切断涡流通道,屏蔽罩上尽量不要有开口及导致涡流回路电阻增加的缝隙。

磁屏蔽罩接地与否对屏蔽效能没有影响,这一点与电屏蔽不同,电屏蔽必须接地。如果将良导体屏蔽罩接地,它将同时具有电场屏蔽和高频磁场屏蔽的作用,因而实用中还是将屏蔽罩接地。

(3)电磁屏蔽

是对电场和磁场同时加以屏蔽,一般是指对高频电路磁场进行屏蔽。

在交变场中,电场和磁场总是同时存在的,只是在频率较低时,电磁波不能向远方辐射,电场和磁场仅在近区相互感应、来回转换,故常称为近场或感应场。这种近场的能量随干扰源的特性不同,电场分量和磁场分量有很大的差别。

高压低电流源以电场为主、磁场分量可以忽略,这时只需考虑电场屏蔽;

低压大电流干扰源则以磁场为主,电场可以忽略,这时可以只考虑磁场屏蔽。

随着频率的增高,电磁辐射能量增强,从而形成远程辐射干扰,相应地常称其为远场或辐射场。频率越高,辐射的电场能和磁场能都越大,且都不可忽略。这时因为频率很高时,电场的高速变化在空间产生强大的位移电流(位移电流强度与频率成正比)。强大的位移电流在其邻近产生强大的交变磁场,此交变磁场又在附近产生变化的电场,如此循环往复。高速变化的电磁场不但相互转换而且在空中向前推进,这种推进的过程即为电磁波的辐射过程。频率越高,辐射的电磁能量就越多。为了抑制高频辐射电磁场,必须采用良导体作屏蔽罩,并将屏蔽罩接地。由于高颇的集肤效应,对于良导体的穿透深度很小,因而电磁屏蔽体无需做得很厚。且屏蔽罩尽量不要有开口或接缝,理想的屏蔽体是一个结构上密实完整、电气上连续均匀。尺寸远大于电磁波波长的铝、铜或铜镀银的金属板壳体,这种在屏蔽完体上无孔洞、缝隙等任何电气上不连续因素的屏蔽体称之为实心型屏蔽体。相应地,在屏蔽壳体上存在有孔洞、铆接或焊接等电气上不连续因素的屏蔽体称为非实心屏蔽体。非实心屏蔽体上的孔洞或缝隙都可能引起电磁能的泄漏,导致电磁屏蔽效能的降级。

接地

接地通常有两种含义:

一是接大地,即把电子设备的金属外壳通过埋入地下的金属棒、管道或其他金属结构件实现对大地的电气接触,并以大地作基准零电位。

主要目的是为雷击放电或静电放电提低阻泄放通道,以保护设备及工作人员的安全。

另一是接信号地或系统地,即取电子设备的金属底座、机壳、屏蔽罩或较大截面的铜导体,作为设备电路信号的参考点,并设该参考点的电位为零(但不是大地零电位),这种具有相对零电位的参考点,被称为信号地或系统地。

接信号地的主要目的是给电路信号提供—个稳定的零电位参考点,以提高电路工作的稳定性,理想的信号地应是一个零电位、零阻抗的接地实体,即一个足够大的接地平面,且平面上各点之间都不存在电位差。

实际上真正理想的信号地是不存在的,即使是电阻率接近零的超导,其表面两点之间还存在有某种电抗效应,因而所谓理想也只能是近似而已。

若信号地能与大地连接,使电子设备有一个理想的零电位点,能有效地抑制外界电磁场的影响,保证电路工作的稳定性。有效地泄放因静电感应在机壳上积累的电荷,避免电荷积累过多形成高压引起设备内部放电而造成干扰,且为操作人员提供安全保障。


电子设备接地通常有三种方式:单点接地、多点接地和浮地。

单点接地是指整个电路系统中,只有一个接地参考点,各部分电路需要接地的点都各自直接接到这一参考点上,各接地线不能形成共有的通道,

单点接地一般用于频率在300Mh以下的电路,因为当频率很高时,其波长缩短到接近于接地引线长度的四倍时,地线电感引起的高频驻波不可忽略,产生干扰分量,取不到有效接地的目的。

多点接地是指整个电路系统中,各部分电路需要接地的点就近接地。

多点接地一般用于频率在300kHz以上的电路,因为采用多点接地后,系统内形成多个地线回路,各地线电感与地线间分布电容可能引起低频振荡,对电路低频信号引起干扰。

浮地是指整个电路系统在电气上与大地相绝缘,这样可以减少接地系统引入的传导干扰,此时各部分电路的信号地相连,但对大地悬浮。

浮地的电子设备易产生静电放电,在雷电环境下,静电感应产生高压会在设备机箱与内电路间产生飞弧,危及设备及工作人员的安全,因而电子设备一般不采用浮地。

上述三种接地方式,应根据实际电路系统的工作特性来选择。

在一个复杂的电子设备中,往往为适应各部分电路工作性质不同,采取不同的接地方式,形成所谓混合接地。


图9-20是混合接地实例,该电路工作频率从低频到高频,低频段希望单点接地,而高频段却希望多点按地。为此电路中放大器机壳校直接接地、负载侧的机壳通过电容(或寄生电容)接地,同轴电缆的屏蔽层经同轴连接器与两佣机壳相连。

低频时,由于电容对低频呈现高阻抗,避免了低频地电流的形成,即低频段该电路中在放大器侧中点接地。

高频时,电容对高频呈现低阻抗,因而负载侧可通过电容实现高频接地,而放大器侧可实现高频直接接地,因而高频段该电路实际上是两点接地。

滤波

在抑制电磁干扰的设计中,屏蔽主要是抑制电磁辐射,而滤波则主要是抑制电磁传导。实践表明,即使有很完善的屏蔽和接地措施,也仍然存在着电磁传导干扰导致电子设备工作性能降低,因而在抑制电磁干扰方面滤波器取着无可替代的作用。电磁干扰滤波器不同于常规的信号选择滤波器,前者主要考虑对电磁干扰的有效抑制,后者主要考虑的是对有用信号的有效选择。两者相比,电磁干扰滤波器有如下显著特点:

①电磁干扰滤波器通常工作在阻抗不匹配的条件下,这是因为干扰源的阻抗特性随频率变化而变化,其阻抗通常是整个频段(从Hz到GHz)的函数。

②干扰电平变化幅度大,有可能使干扰滤波器出现饱和效应。

③由于干扰信号的频带很宽,其高频特性非常复杂,难以用集中参数等效电路模拟滤波器的高频特性。

④干扰滤波器在阻带内对干扰信号应有足够的衰减量,而对有用信号的电磁能应有最大的传输效率。

电磁干扰滤波按频率特性亦可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器四种,按滤波器机理分类,可分为反射型滤波器和吸收型滤波器。

(1)反射型滤波器是利用电感和电容元件的频率特性,在滤波器的通带内建立低串联阻抗和高并联阻抗,有利于有用信号的传输。而在滤波器的阻带内建立高串联阻抗和低并联阻抗,有效地阻止干扰信号的传输。即使干扰信号反射回干扰源而达到抑制的目的。-反射型滤波器用得最多的是低通滤波器,是用来抑制高频电磁干扰的。低通滤波器的种类很多,按其电路形式可分为并联电容型、串联电感型、L型、n型和T型,各类低通滤波器的电路结构及其插入损耗如表9—10所示。表中各类滤波器的应用选择,视干扰源的输出阻抗及受扰设备的输入阻抗相对大小而定。当两者都比较小时,应选择T型或串联电感型;当两者都比较大时,应选择n型或并联电容型;当两者的阻抗相差较大、即一大一小时,则应选择L型滤波器。这是因为当电磁干扰滤波器两端阻抗都处于失配状态时,干扰滤波器的输入和输出端口对干扰信号都会产生较强的反射,从而获得对干扰信号的有效抑制。这是干扰滤波器与信号选择滤波器最本质的区别。对信号选择滤波器,要求它在应用的频率范围内得到尽可能完美的阻抗匹配,对传输的信号没有反射或反射很小,从而实现尽可能小的信号传输损耗。而对干扰滤波器,要在抑制干扰信号频率范围内,实现最大可能的失配,使需要抑制的干扰信号受到最大的抑制。

插入损耗是衡量EMI滤波器性能的重要指标,插入损耗越大扰能量衰减的越多,即抑制作用越强。

插入损耗(Insertionloss)的定义为:


U1-未接入EMI滤波器之前受扰设备输入电压;

U2-接入EMI滤波器之后受扰设备输入电


高通滤波器是用来抑制低频电磁干扰的。高通滤波器亦有多种类型.其电路结构可由相应低通滤波器转换而成。当把低通滤波器转换成具有相同终端和截止频率的高通滤波器时,其转换方法是:

①把每个电感L(H)转换成数值为1/L(F)的电容C。

②把每个电容C(F)转换成数值为1/C(H)的电感L。


例如,0.33uF的电容转换成0.33uH的电感,750uH的电感转换成1/750uF的电容,如图9—21所示。

带通滤波器是对通带之外的高低频率干扰量进行衰减,带阻滤波器是对特定的窄带内干扰量进行衰减。实际的电磁干扰抑制技术中,带通滤波器很少使用。带阻滤波器常被用来抑制线路的谐波干扰,电路结构如图9—21所示。


(2)电源EMI滤波器-亦称电源线EMI滤波器,用来抑制由电源线传输的电磁干扰信号,它是用得最普遍的反射型低通滤波器。

对任何电源线上的传导干扰信号,都可用共模和差模干扰信号来表示。


如图9-23所示。图中相线L与地线G和中线N与地线G间存在的EMI信号UL和UN,称为共模干扰信号。即对相线L和中线N而言,UL和UN是大小相等、相位相同的干扰信号。而把L和N之间存在的干扰信号UIN称为差模干扰信号。

这里把电源中的传导干扰信号看作是独立的干扰源发射的干扰信号,以便分析EMI信号和处理滤波网络的插入

电源MI滤波器电路结构亦有多种形式,图9-24是最典型的电源EMI滤波器基本电路,将其插入电源与受扰设备之间,即受扰设备电源人口处,对共模和差模干扰信号都有抑制作用。


如图9-25所示。在滤波电路中,两线圈通过的信号电流I1和I2所产生的磁通在铁心中相互抵消,不引起信号衰威,从而使L1和L2的自感值保持不变。一般取Ll=L2=0.3~38mH,若要求电源EMI滤波器低频特性好,可取大些。但过大引起的分布电容将使电源EM滤波器高频特性变坏,同时铜耗增加。


如图9-25所示。在滤波电路中,两线圈通过的信号电流I1和I2所产生的磁通在铁心中相互抵消,不引起信号衰威,从而使L1和L2的自感值保持不变。一般取Ll=L2=0.3~38mH,若要求电源EMI滤波器低频特性好,可取大些。但过大引起的分布电容将使电源EM滤波器高频特性变坏,同时铜耗增加。


①共模扼流圈:

·两线圈L1和12匝数相同、绕向相反,绕在同一个软磁铁氧体磁环上;

②共模干扰抑制:

·共模线圈L1和L2分别与各自的CY构成L—G、N—G两个独立端口的低通滤波器,可抑制电源线上存在的共模干扰UL和UN。CY被称为共模抑制电容,一般控制在0.1uF以内。大了,容抗小,引起漏电流增大,造成系统电磁兼容性能下降。CY要有足够的耐压余量(大于电源供电电压),避免CY击穿短路危及人身安全。

③差模干扰抑制:

·共模线圈L1和L2与Cx组成LC低通滤波器,对电源线L—N独立端口存在的差模干扰ULN取抑制作用。Cx被称为差模抑制电容,一般取0.33uF左右。Cx接于相线L与中线N之间,它上面除加有电源额定电压外,还会叠加各种瞬变干扰电压(峰值可这几千伏),因而对Cx有耐压安全等级要求。即在不同的电磁环境中,Cx耐压要求不一样,避免Cx击穿而导致滤波器失效。þ电源EMI滤波器为无源网络,具有互易性,即既可以抑制电源线上的干扰信号传入用电设备,也可以抑制用电设备工作时产生的干扰信号传入电源,取到对EMI信号的隔离作用。

(3)吸收型滤波器

反射型滤波器的缺点是滤波器的输入出阻抗难以在一个相当宽的频率范围内与指定的源和负载阻抗相匹配,这种失配将导致部分有用信号被滤波器阻隔,系统信噪比下降。在这种情况下,可考虑采用吸收型滤波器,即用滤波器将噪声能量吸收后转为热量消耗掉,而保持有用信号的顺利传输。-鉴于吸收型滤波器抑制电磁干扰的机理是吸收信号线传输过来的噪声能量并使之转化为热损耗,因而常称其为损耗传输线(LousyTransmission Line)抑制电磁干扰滤波器,简称为损耗线EMI滤波器,-将吸收型滤波器与反射型滤波器串联应用,可获得更好的滤波效果,既具有陡峭的频率特性,又有很高的阻带衰减。例如在反射型低通滤波器前接入一小段损耗线,就可以得到达种组合型低通滤波器。


如图9—26所示。损耗线EMI滤波器如同一段同轴传输线,在同轴传输线的内外导体间填充铁氧体材料并在铁氧体材料外面涂覆或填入高介电常数的绝缘层,取这样的一段同轴传输线作滤波器。就构成损耗线EMI滤波器。


在其等效电路中,R0、L0和C0、G0分别表示损耗线单位长度的电阻、电感、电容和电导,C10表示绝缘层电容。显然损耗线等效电路只有低通电路结构特征,因而对高频具有良好的吸收特性。

图9-27所示电缆滤波器,是最常见的损耗线EMI滤波器,其特点是直接把传输电缆和抗干扰滤波溶为一体,在传输有用信号的同时,对EMI信号进行滤波。

同轴电缆滤波器不但体积小(铁氧体管外径约1.5cm、内径约0.95cm、长度与滤波器的截止频率成反比,一般不超过15cm,连接方便,且对高频有较好的吸收特性。

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