某探測(cè)系統(tǒng)的電磁兼容性分析

  1    引言

    電磁兼容是指電氣設(shè)備在電磁環(huán)境中正常工作的能力。電磁干擾是對(duì)電氣設(shè)備工作性能有害的電磁變化現(xiàn)象。電磁干擾不僅影響電氣設(shè)備的正常工作，甚至造成電氣設(shè)備中的元器件損壞。因此，對(duì)電氣設(shè)備的電磁兼容技術(shù)要給予充分的重視。既要使電氣設(shè)備不受周圍電磁干擾而能正常工作，又要使電氣設(shè)備本身不對(duì)周圍其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，影響其他設(shè)備正常運(yùn)行。

    某探測(cè)系統(tǒng)由前端探測(cè)電路，信號(hào)處理電路和輔助機(jī)電部件組成。其中，前端探測(cè)電路主要由傳感器和放大器組成，屬于敏感器件，易受電磁干擾。而輔助機(jī)電部件主要由驅(qū)動(dòng)電源和負(fù)載組成，是產(chǎn)生電磁干擾的主要輻射源。驅(qū)動(dòng)電源大多采用脈寬調(diào)制式開關(guān)逆變正弦交流電源或直流斬波式方波交流電源，負(fù)載一般為感性電磁線圈。

    試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)探測(cè)元件無輸入信號(hào)時(shí)，放大器就有較強(qiáng)的輸出信號(hào)，導(dǎo)致整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)無法正常工作。對(duì)此，我們的工作思路是，先對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的電磁干擾信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，再對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，找到產(chǎn)生電磁干擾的原因，以便采取有針對(duì)性的電磁兼容性措施，保證該探測(cè)系統(tǒng)的正常工作。

2    電磁干擾檢測(cè)

2.1    檢測(cè)的目的和方法

    檢測(cè)的目的在于分析產(chǎn)生電磁干擾的原因，以便采取有針對(duì)性的電磁兼容性措施，保證整個(gè)系統(tǒng)正常工作。

    檢測(cè)的方法是：?jiǎn)?dòng)探測(cè)系統(tǒng)，在探測(cè)元件無輸入信號(hào)時(shí)，采用數(shù)字實(shí)時(shí)示波器對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

    驅(qū)動(dòng)電源分別采用脈寬調(diào)制式開關(guān)逆變正弦交流電源和直流斬波式方波交流電源。

2.2    檢測(cè)內(nèi)容

2.2.1    采用脈寬調(diào)制式開關(guān)逆變正弦交流電源的檢測(cè)

    采用脈寬調(diào)制式開關(guān)逆變正弦交流電源驅(qū)動(dòng)輔助部分工作，在探測(cè)元件無輸入信號(hào)時(shí)，測(cè)量放大器的輸出信號(hào)。圖1為放大器的輸出信號(hào)示波圖，圖2為展開示波圖。

圖1    脈寬調(diào)制式開關(guān)逆變正弦交流電源驅(qū)動(dòng)時(shí)放大器的輸出信號(hào)示波圖

圖2    脈寬調(diào)制式開關(guān)逆變正弦交流電源驅(qū)動(dòng)時(shí)放大器的輸出信號(hào)展開示波圖

2.2.2    采用直流斬波式方波交流電源的檢測(cè)

    采用直流斬波式方波交流電源驅(qū)動(dòng)輔助部分工作，在探測(cè)元件無輸入信號(hào)時(shí)，測(cè)量放大器的輸出信號(hào)。圖3為放大器的輸出信號(hào)示波圖，圖4為展開示波圖。

圖3    直流斬波式方波交流電源驅(qū)動(dòng)時(shí)放大器的輸出信號(hào)示波圖

圖4    直流斬波式方波交流電源驅(qū)動(dòng)時(shí)放大器的輸出信號(hào)展開示波圖
 

2.2.3    空間的電磁場(chǎng)輻射耦合檢測(cè)

    在探測(cè)元件無輸入信號(hào)時(shí)，測(cè)量空間的電磁場(chǎng)輻射耦合到放大器的輸出信號(hào)。圖5為放大器的輸出信號(hào)示波圖。

圖5    空間電磁場(chǎng)輻射耦合到放大器的輸出信號(hào)示波圖

2.3    檢測(cè)結(jié)果

2.3.1    采用脈寬調(diào)制式開關(guān)逆變正弦交流電源驅(qū)動(dòng)輔助部分工作

    在探測(cè)元件無輸入信號(hào)時(shí)，放大器的輸出信號(hào)中干擾的特點(diǎn)為：

    1）噪聲電壓具有隨機(jī)性質(zhì)，其峰&mdash;峰值<3.0mV；

    2）干擾電壓峰—峰值為8.4mV；

    3）干擾電壓出現(xiàn)間隔不等，為ms級(jí)；

    4）每次干擾電壓為幾個(gè)振蕩波形，振蕩周期為40ns。

2.3.2    采用直流斬波式方波交流電源驅(qū)動(dòng)輔助部分工作

    在探測(cè)元件無輸入信號(hào)時(shí)，放大器的輸出信號(hào)中干擾的特點(diǎn)為：

    1）噪聲電壓具有隨機(jī)性質(zhì)，其峰—峰值<3.0mV；

    2）干擾電壓峰峰值為29.6mV；

    3）干擾電壓具有一定規(guī)律，出現(xiàn)的間隔為10ms；

    4）每次干擾電壓為幾個(gè)振蕩波形，振蕩周期為10μs。

2.3.3    空間的電磁場(chǎng)輻射

    在探測(cè)元件無輸入信號(hào)時(shí)，空間的電磁場(chǎng)輻射耦合到放大器的輸出信號(hào)中干擾的特點(diǎn)為：

    1）噪聲電壓具有隨機(jī)性質(zhì)，其峰—峰值<3.0mV；

    2）干擾電壓峰—峰值為7.2mV。

3    結(jié)果分析及改進(jìn)措施

    從檢測(cè)結(jié)果可知，在探測(cè)元件無輸入信號(hào)時(shí)，三種情況下放大器的輸出信號(hào)中，干擾電壓峰—峰值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該探測(cè)系統(tǒng)在放大器輸出端要求的最小探測(cè)信號(hào)電壓，因此，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法正常工作。

3.1    結(jié)果分析

3.1.1    脈寬調(diào)制式開關(guān)逆變正弦交流電源產(chǎn)生的干擾分析

    1）由于脈寬調(diào)制式開關(guān)逆變正弦交流電源的前級(jí)采用整流濾波，只有當(dāng)輸入的交流電壓高于濾波電容的電壓時(shí)，整流器件才可能導(dǎo)通，由此造成工頻電流波形的畸變，而產(chǎn)生大量的諧波在電源線上傳導(dǎo)發(fā)射。

    2）由于采用20kHz以上的脈寬調(diào)制式開關(guān)逆變正弦交流電源，其運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量的高次諧波在電源線和地線上傳導(dǎo)發(fā)射。

    當(dāng)開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，由于集電極的高電位通過集電極與地之間的分布電容，地，電源進(jìn)線，整流管返回集電極而產(chǎn)生共模干擾電流傳導(dǎo)發(fā)射。

    當(dāng)開關(guān)器件開通時(shí)，通過等效負(fù)載形成的高頻脈沖串電流包含豐富的高次諧波在電源線上產(chǎn)生差模干擾電流傳導(dǎo)發(fā)射。

3.1.2    直流斬波式方波交流電源產(chǎn)生的干擾分析

    1）由于直流斬波式方波交流電源的前級(jí)采用整流濾波，只有當(dāng)輸入的交流電壓高于濾波電容的電壓時(shí)，整流器件才可能導(dǎo)通，由此造成工頻電流波形的畸變，而產(chǎn)生大量的諧波在電源線上傳導(dǎo)發(fā)射。

    2）該探測(cè)系統(tǒng)的輔助部分由驅(qū)動(dòng)電源和負(fù)載組成，驅(qū)動(dòng)電源采用直流斬波式方波交流電源，驅(qū)動(dòng)負(fù)載為感性的電磁線圈。

    對(duì)感性的電磁線圈采用直流斬波式方波交流電源供電，在斬波時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。因?yàn)椋行缘碾姶啪€圈中的電流變化必然產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電流變化越快，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將會(huì)通過各種路徑傳導(dǎo)耦合到放大器的輸出級(jí)，而成為嚴(yán)重的電磁干擾。

    該探測(cè)系統(tǒng)輔助部分的驅(qū)動(dòng)電源采用直流斬波式方波交流電源，其頻率為50Hz，即每隔10ms斬波一次。從圖3放大器的輸出信號(hào)示波圖中可以明顯看出：電磁干擾信號(hào)正是每隔10ms出現(xiàn)一次。

3.1.3    輻射耦合產(chǎn)生的干擾分析

3.1.3.1    電源的電磁場(chǎng)輻射發(fā)射

    由于該探測(cè)系統(tǒng)的輔助部分驅(qū)動(dòng)電源，采用了脈寬調(diào)制式開關(guān)逆變交流電源或直流斬波式方波交流電源。這兩種電源波形的前后沿均含有一定的高次諧波，形成電磁場(chǎng)輻射發(fā)射。

3.1.3.2    空間的電磁場(chǎng)輻射耦合

    各種通信，廣播和電視發(fā)射；高壓電力線路，各種運(yùn)行的工業(yè)電氣設(shè)備和家用電器使空間雜散電磁場(chǎng)日益增多，其頻譜范圍和幅度日益增大。它們通過空間耦合到探測(cè)系統(tǒng)中，形成電磁干擾。

3.2    改進(jìn)措施

3.2.1    對(duì)脈寬調(diào)制式開關(guān)逆變正弦交流電源的電磁兼容性措施

    1）加裝功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，抑制由于工頻電流波形的畸變而產(chǎn)生大量的諧波在電源線上傳導(dǎo)發(fā)射。

    2）加裝開關(guān)電源濾波器，即在供電進(jìn)線處裝設(shè)抑制傳導(dǎo)干擾的開關(guān)電源濾波器。圖6為開關(guān)電源濾波器的線路圖。

圖6    開關(guān)電源濾波器線路圖

    由于電源線中往往同時(shí)存在共模與差模兩種干擾，因此開關(guān)電源濾波器由共模濾波電路（L₁，L₂和C_y）和差模濾波電路（L₃，L₄與C_x）綜合構(gòu)成。其中L₁和L₂為繞在同一磁環(huán)上的兩個(gè)匝數(shù)相等，繞向相同的獨(dú)立線圈，當(dāng)工作頻率分量經(jīng)過時(shí)，由于磁通抵消，電感很小，易于通過。當(dāng)共模干擾頻率分量經(jīng)過時(shí)，由于磁通相加，電感很大，不易通過而被抑制。

    共模電感L₁和L₂一般在幾mH至幾十mH，共模電容C_y要在漏電流小于幾mA前提下取較大值。差模電感一般在幾十μH至幾百μH,差模電容C_x要選擇耐壓足夠高的陶瓷或聚酯電容器。市場(chǎng)上賣的一般電源濾波器主要是對(duì)共模干擾設(shè)計(jì)的，如果要對(duì)差模干擾起作用，應(yīng)該另外增加兩個(gè)獨(dú)立的差模抑制電感。共模電感的磁性材料以金屬磁性材料(1J851/0.02mm)或非晶、超微晶磁性材料效果較好。差模電感的磁性材料以金屬軟磁粉末經(jīng)絕緣包裹壓制退火的磁性材料(國(guó)產(chǎn)ZW-1)效果較好，而不用開口鐵氧體材料。

    開關(guān)電源濾波器與信號(hào)濾波器的不同之處在于阻抗搭配。應(yīng)用信號(hào)濾波器時(shí)，為使傳輸?shù)男盘?hào)損耗小，應(yīng)盡量使電源阻抗，濾波器阻抗和負(fù)載阻抗匹配。相反，應(yīng)用開關(guān)電源濾波器時(shí)，為抑制傳輸?shù)母蓴_信號(hào)，應(yīng)盡量使電源阻抗、濾波器阻抗和負(fù)載阻抗不匹配。

    設(shè)計(jì)和選用開關(guān)電源濾波器一定要根據(jù)電路的實(shí)際情況而定。首先測(cè)量傳導(dǎo)干擾的電平，再與電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)或?qū)嶋H應(yīng)用需要的信號(hào)電平進(jìn)行比較，選擇對(duì)超標(biāo)信號(hào)或超過實(shí)際應(yīng)用需要的信號(hào)的幅值和頻帶有抑制作用的開關(guān)電源濾波器。

3.2.2    對(duì)直流斬波式方波交流電源的電磁兼容性措施

    1）加裝功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，抑制由于工頻電流波形的畸變而產(chǎn)生大量的諧波在電源線上傳導(dǎo)發(fā)射。

    2）從上述分析可知：該探測(cè)系統(tǒng)輔助部分的驅(qū)動(dòng)電源采用的直流斬波式方波交流電源是導(dǎo)致產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾的根本原因。為此應(yīng)當(dāng)采用電流過零時(shí)變化率較小的電源，比如線性純正弦波電源更為合適。這種電源是將純正弦波信號(hào)經(jīng)過多級(jí)放大后，供電給輔助部分驅(qū)動(dòng)的。在探測(cè)元件無輸入信號(hào)時(shí)，測(cè)量放大器的輸出信號(hào)，如圖7所示，此時(shí)在放大器輸出端最大信號(hào)電壓峰峰值為4.4mV。說明原來的干擾信號(hào)已被極大地消除。

圖7    采用線性純正弦波電源驅(qū)動(dòng)時(shí)放大器的輸出信號(hào)示波圖

3.2.3    對(duì)輻射耦合產(chǎn)生干擾的電磁兼容性措施

    對(duì)上述兩種電磁場(chǎng)輻射耦合，應(yīng)加強(qiáng)該探測(cè)系統(tǒng)的電磁屏蔽，并注意屏蔽的完整性和良好的接地措施。

    1）屏蔽的設(shè)計(jì)和選用    電磁屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用導(dǎo)電率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地。它是利用屏蔽體在高頻磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)抵消而削弱高頻磁場(chǎng)的干擾，又因屏蔽體接地而實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)屏蔽。屏蔽體的厚度不必過大，而以趨膚深度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為主要考慮因素。

    2）注意屏蔽的完整性    如果屏蔽體不完整，將導(dǎo)致電磁場(chǎng)泄漏，特別是電磁場(chǎng)屏蔽，如果屏蔽體不完整，將使產(chǎn)生渦流的效果降低，則屏蔽的效果將大打折扣。為此，要注意下述幾個(gè)問題。

    （1）接縫處理    接縫處理不好將使屏蔽體的屏蔽效果降低。對(duì)固定的接縫最好采用連續(xù)焊接。焊接前，應(yīng)將要焊接表面的非導(dǎo)電物質(zhì)清除干凈。要盡可能對(duì)全部外殼間斷處進(jìn)行搭接。對(duì)非固定的接縫應(yīng)采用導(dǎo)電襯墊，并將其壓緊,以提高接縫的電磁密封效果。常用的導(dǎo)電襯墊材料有金屬編織物，含有金屬絲的橡膠等。對(duì)活動(dòng)的接縫，采用彈性指簧以提高接縫的電磁屏蔽效果。

    （2）孔眼屏蔽    對(duì)通風(fēng)和測(cè)量需要的孔眼，為提高設(shè)備的電磁屏蔽效果，應(yīng)采用孔眼屏蔽?？籽燮帘蔚男Чc電磁波的頻率，孔眼的尺寸和數(shù)量等參數(shù)有關(guān)。

    （3）電連接器屏蔽    選擇的屏蔽式電連接器應(yīng)有足夠的插針供電纜內(nèi)各個(gè)屏蔽層在電連接器端頭接。為保證屏蔽的完整性，要沿著電纜一周，將電纜的外屏蔽層和電連接器整個(gè)地連接，最好是焊接；電連接器座應(yīng)與設(shè)備的金屬外殼保持良好的電氣連接；電連接器頭也應(yīng)與電連接器座保持良好的電氣連接。

3.2.4    地線耦合

    接地設(shè)計(jì)的好壞對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的正常工作是非常重要的。為此，對(duì)該探測(cè)系統(tǒng)的接地進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)置了三種接地。

    1）安全地    即將金屬機(jī)殼接地，當(dāng)機(jī)殼帶電時(shí)，保護(hù)動(dòng)作切斷電源，以保護(hù)工作人員和設(shè)備的安全。同時(shí)安全地可以作為各種屏蔽的接地。

    2）功率地    為防止高電壓或大電流的強(qiáng)功率電路（如電源，繼電器，電機(jī)）對(duì)低電平電路（如高頻電路，數(shù)字電路，模擬電路等）的干擾，而將它們的接地分開。前者為功率地（強(qiáng)電地），后者為信號(hào)地（弱電地）。

    3）信號(hào)地    分為數(shù)字地和模擬地，主要目的是為了抑制電磁干擾，因此，應(yīng)當(dāng)特別注意低電平電路、信號(hào)檢測(cè)電路、傳感器輸入電路和前級(jí)放大電路的接地。

    不正確的接地不僅不會(huì)降低干擾反而會(huì)增加干擾，比如共地線干擾、地環(huán)路干擾等等。接地可以按工作頻率采用不同的接地方式。由于該探測(cè)系統(tǒng)的工作頻率較低（小于1MHz）而采用單點(diǎn)接地式（即把整個(gè)電路系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)點(diǎn)看作接地參考點(diǎn)，所有對(duì)地連接都接到這一點(diǎn)上）。

    該探測(cè)系統(tǒng)的傳感器輸入電路和前級(jí)放大電路的接地應(yīng)該只設(shè)一個(gè)接地點(diǎn)，因?yàn)?，多個(gè)接地點(diǎn)會(huì)引入共地阻抗的干擾。而這個(gè)接地點(diǎn)的位置應(yīng)當(dāng)選擇在保證地線中的電流流向?yàn)閺男⌒盘?hào)電路流向大信號(hào)電路，從而避免大信號(hào)電路的地線電流對(duì)小信號(hào)電路產(chǎn)生干擾。

    接地電阻的要求是越小越好。因?yàn)楫?dāng)有電流流過接地電阻時(shí)，其上將產(chǎn)生電壓。除產(chǎn)生共地阻抗的電磁干擾外。該電壓一方面使設(shè)備受到反擊過電壓的影響，另一方面使人員受到電擊傷害的威脅。因此一般要求接地電阻小于4Ω。

    接地電阻由接地線電阻、接觸電阻和地電阻組成。為此降低接地電阻的方法有以下3種：

    一是降低接地線電阻，為此要用總截面大和長(zhǎng)度小的多股細(xì)導(dǎo)線。因?yàn)殡娮韬涂偨孛娉煞幢?，和長(zhǎng)度成正比，又與頻率的趨膚效應(yīng)有關(guān)。

    二是降低接觸電阻，為此要將接地線與接地螺栓和接地極緊密又牢靠地連接，并要增加接地極和土壤之間的面積與接觸的緊密度。

    三是降低地電阻，為此要增加接地極的表面積和增加土壤的導(dǎo)電率（如在土壤中注入鹽水）。

    當(dāng)采取了上述改進(jìn)措施后，在探測(cè)元件無輸入信號(hào)時(shí)，測(cè)量放大器的輸出信號(hào)示波圖如圖8所示。示波圖顯示放大器的輸出干擾信號(hào)峰&mdash;峰值為2.72mV，有了很大的改善。

圖8    加強(qiáng)電磁屏蔽后放大器的輸出信號(hào)示波圖

4    結(jié)語(yǔ)

    由于我們對(duì)該探測(cè)系統(tǒng)，分系統(tǒng)和元器件的電磁兼容性分析預(yù)測(cè)不夠充分，采取的電磁兼容設(shè)計(jì)不夠完善，導(dǎo)致該探測(cè)系統(tǒng)初樣工作不正常。通過對(duì)其上的電磁干擾信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和分析，有針對(duì)性地采取了電磁兼容性措施后，保證了該探測(cè)系統(tǒng)正樣的正常工作。但是，卻花費(fèi)了我們很多的時(shí)間和精力，也浪費(fèi)了不少經(jīng)費(fèi)。其教訓(xùn)是非常深刻的，同時(shí)也讓我們對(duì)電磁兼容性工作更加重視。

    綜上所述，我們對(duì)干擾源采取了如下電磁兼容性措施：

    1）加裝功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，抑制由于工頻電流波形的畸變而產(chǎn)生的大量諧波在電源線上傳導(dǎo)發(fā)射；

    2）輔助部分的驅(qū)動(dòng)電源采用電流過零時(shí)變化率較小的電源，比如線性純正弦波電源；

    3）為防止探測(cè)系統(tǒng)的強(qiáng)電部分對(duì)弱電探測(cè)部分通過共一個(gè)電源產(chǎn)生的干擾，對(duì)這兩部分的供電增加隔離措施。

    對(duì)干擾傳播路徑采取了如下電磁兼容性措施：

    1）在供電進(jìn)線處安裝開關(guān)電源濾波器；

    2）加強(qiáng)電磁屏蔽，以防空間的電磁場(chǎng)輻射耦合到該探測(cè)系統(tǒng)中，并注意電磁屏蔽的完整性和良好的接地措施；

    3）對(duì)該探測(cè)系統(tǒng)的接地進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，特別注意了低電平電路、信號(hào)檢測(cè)電路、傳感器輸入電路和前級(jí)放大電路的接地設(shè)計(jì)。

    為了提高電氣設(shè)備的電磁兼容性能，必須從開始設(shè)計(jì)時(shí)就給予足夠的重視。要充分分析電氣設(shè)備可能存在的電磁干擾源及性質(zhì)，電磁干擾可能傳播的路徑及易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件。從而在設(shè)計(jì)時(shí)采取相應(yīng)對(duì)策，這樣可以部分消除可能出現(xiàn)的電磁干擾，減輕調(diào)試工作的壓力。在調(diào)試工作中，針對(duì)具體出現(xiàn)的電磁干擾，從接收電磁干擾的電路和元器件的表現(xiàn)，分析出電磁干擾源所在及電磁干擾可能傳播的路徑，再采取合適的解決辦法。而從源頭抓起，往往是最根本的方法。