電子工程師必須解決電路設(shè)計(jì)的EMC干擾問題

一、干擾概述

1、干擾的分類

干擾的分類有好多種,通常可以按照噪聲產(chǎn)生的原因、傳導(dǎo)方式、波形特性等進(jìn)行不同的分類。

按產(chǎn)生的原因分：可分為放電噪聲音、高頻振蕩噪聲、浪涌噪聲。

按傳導(dǎo)方式分：可分為共模噪聲和串模噪聲。

按波形分：可分為持續(xù)正弦波、脈沖電壓、脈沖序列等。

1.2、干擾的耦合方式

干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)是通過一定的耦合通道才對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生作用的。因此，我們有必要看看干擾源和被干擾對(duì)象之間的傳遞方式。干擾的耦合方式，無非是通過導(dǎo)線、空間、公共線等，細(xì)分下來，主要有以下幾種：

1) 直接耦合：這是最直接的方式，也是系統(tǒng)中存在最普遍的一種方式。比如干擾信號(hào)通過電源線侵入系統(tǒng)。對(duì)于這種形式，最有效的方法就是加入去耦電路。

2) 公共阻抗耦合：這也是常見的耦合方式，這種形式常常發(fā)生在兩個(gè)電路電流有 共同通路的情況。為了防止這種耦合，通常在電路設(shè)計(jì)上就要考慮。使干擾源和被干擾對(duì)象間沒有公共阻抗。

3) 電容耦合：又稱電場(chǎng)耦合或靜電耦合。是由于分布電容的存在而產(chǎn)生的耦合。

4) 電磁感應(yīng)耦合：又稱磁場(chǎng)耦合。是由于分布電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的耦合。

5) 漏電耦合：這種耦合是純電阻性的，在絕緣不好時(shí)就會(huì)發(fā)生。

二、常用硬件抗干擾技術(shù)

針對(duì)形成干擾的三要素，采取的抗干擾主要有以下手段。

2.1、抑制干擾源

抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt，di/dt。這是抗干擾設(shè)計(jì)中最優(yōu)先考慮和最重要的原則，常常會(huì)起到事半功倍的效果。減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容來實(shí)現(xiàn)。減小干擾源的di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來實(shí)現(xiàn)。

抑制干擾源的常用措施如下：

1)繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾。僅加續(xù)流二極管會(huì)使繼電器的斷開時(shí)間滯后，增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時(shí)間內(nèi)可動(dòng)作更多的次數(shù)。

2)在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路(一般是RC串聯(lián)電路，電阻一般選幾K到幾十K,電容選0.01uF)，減小電火花影響

3)給電機(jī)加濾波電路,注意電容、電感引線要盡量短。

4)電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01μF～0.1μF高頻電容，以減小IC對(duì)電源的影響。注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會(huì)影響濾波效果。

5)布線時(shí)避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。

6)可控硅兩端并接RC抑制電路，減小可控硅產(chǎn)生的噪聲(這個(gè)噪聲嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)把可控硅擊穿的)。

2.2、切斷干擾傳播路徑

按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。

所謂傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號(hào)的頻帶不同，可以通過在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播，有時(shí)也可加隔離光耦來解決。電源噪聲的危害最大，要特別注意處理。

所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感器件上加屏蔽罩。

切斷干擾傳播路徑的常用措施如下：

1)充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好，整個(gè)電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感，要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路，當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用100Ω電阻代替磁珠。

2)如果單片機(jī)的I/O口用來控制電機(jī)等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離(增加π形濾波電路)。

3)注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。

4)電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào),數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源(如電機(jī)、繼電器)與敏感元件(如單片機(jī))遠(yuǎn)離。

6) 用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離。數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點(diǎn)接于電源地。A/D、D/A芯片布線也以此為原則。

7)單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地，以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。

8)在單片機(jī)I/O口、電源線、電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器、屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。

2.3、提高敏感器件的抗干擾性能

提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對(duì)干擾噪聲的拾取,以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。

提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下：

(1) 布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積,以降低感應(yīng)噪聲。

(2) 布線時(shí),電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外,更重要的是降低耦合噪聲。

(3) 對(duì)于單片機(jī)閑置的I/O口,不要懸空,要接地或接電源。其它IC的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。

(4) 對(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門狗電路,如：IMP809，IMP706，IMP813，X5043，X5045等，可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能。

(5) 在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路。

(6) IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。

2.4、其它常用抗干擾措施

(1)交流端用電感電容濾波：去掉高頻低頻干擾脈沖。

(2)變壓器雙隔離措施：變壓器初級(jí)輸入端串接電容，初、次級(jí)線圈間屏蔽層與初級(jí)間電容中心接點(diǎn)接大地，次級(jí)外屏蔽層接印制板地，這是硬件抗干擾的關(guān)鍵手段。次級(jí)加低通濾波器：吸收變壓器產(chǎn)生的浪涌電壓。

(3)采用集成式直流穩(wěn)壓電源：有過流、過壓、過熱等保護(hù)作用。

(4)I/O口采用光電、磁電、繼電器隔離，同時(shí)去掉公共地。

(5)通訊線用雙絞線：排除平行互感。

(6)防雷電用光纖隔離最為有效。

(7)A/D轉(zhuǎn)換用隔離放大器或采用現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換：減少誤差。

(8)外殼接大地：解決人身安全及防外界電磁場(chǎng)干擾。

(9)加復(fù)位電壓檢測(cè)電路。防止復(fù)位不充分，CPU就工作，尤其有EEPROM的器件,復(fù)位不充份會(huì)改變EEPROM的內(nèi)容。

(10)印制板工藝抗干擾：

①電源線加粗，合理走線、接地，三總線分開以減少互感振蕩。

②CPU、RAM、ROM等主芯片，VCC和GND之間接電解電容及瓷片電容，去掉高、低頻干擾信號(hào)。

③獨(dú)立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少接插件與連線，提高可靠性，減少故障率。

④集成塊與插座接觸可靠，用雙簧插座，最好集成塊直接焊在印制板上，防止器件接觸不良故障。

⑤有條件的采用四層以上印制板，中間兩層為電源及地。

如何提高工控設(shè)備的抗干擾能力?

答：工控設(shè)備的核心問題，就是抗干擾能力，如果抗干擾能力不夠高，那么，這個(gè)設(shè)備就是沒有多大用處。要提高工控設(shè)備的抗干擾能力，首先就是要學(xué)會(huì)正確的使用PLC。

1、PLC的內(nèi)核電源和輸入輸出接口電源應(yīng)該獨(dú)立

絕大多數(shù)的用戶，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)電源時(shí)，只有一個(gè)電源，PLC的內(nèi)核和接口都用這個(gè)電源。懂得光耦原理的人就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這種接法，會(huì)把光耦旁路掉，也就是說，光耦完全沒有起到隔離的作用，整個(gè)PLC完全是在“裸奔”，沒有任何的保護(hù)能力，非常危險(xiǎn)的!正確的做法是多加一個(gè)電源，專門只給PLC內(nèi)核供電。輸入輸出接口可以共用一個(gè)電源。

2、PLC的輸出口

如果接到感性負(fù)載，例如電磁閥，繼電器等有線圈的負(fù)載，需 要在負(fù)載兩端反向加一個(gè)吸收二極管。具體的方法，可以到我們的網(wǎng)站查看產(chǎn)品的接線圖。如果沒有這個(gè)反向二極管，在電磁閥或繼電器斷開的瞬間，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，和輸出口的電源疊加在一起，會(huì)大大超過輸出三極管(或場(chǎng)效應(yīng)管)的電壓承受極限，導(dǎo)致三極管擊穿。對(duì)于反向二極管的參數(shù)，只要是電流不小于繼電器電流，耐壓不低于接口電源電壓就行了，像1N4004,1N4007都沒有任何問題。另外，市場(chǎng)上的電磁閥，接線如果標(biāo)有正負(fù)極的，就表示里面已經(jīng)有了吸收電路，不用外接二極管了。

3、電源的選擇

干擾信號(hào)都是高頻信號(hào)。比較典型的干擾信號(hào)源有變頻器，可控硅調(diào)壓電路。現(xiàn)在市面上的電源大多是開關(guān)電源，體積小，效率也很高，但是，最大的缺點(diǎn)就是，高頻干擾信號(hào)可以長驅(qū)直入。而過去的老式電源，里面有個(gè)很大體積的變壓器那種，體積大，效率低，但是對(duì)于高頻干擾信號(hào)卻可以很有效的抑制。所以，在選擇內(nèi)核電源時(shí)，應(yīng)該選擇老式變壓器電源。如果找不到老式變壓器電源，可以在開關(guān)電源前接一個(gè)1:1的隔離變壓器，或在內(nèi)核電源的輸入端接共模線圈，用來阻隔高頻干擾。

4、布局

干擾有2個(gè)途徑：一是導(dǎo)線傳導(dǎo)，二是空間輻射傳導(dǎo)。

以上的1和3就可以解決導(dǎo)線傳導(dǎo)的干擾。對(duì)付空間干擾，最有效的辦法就是加屏蔽罩(千萬不要以為加屏蔽罩是可有可無的)。配電柜就是個(gè)很好的屏蔽罩。但是屏蔽罩對(duì)于來自內(nèi)部的干擾卻束手無策。由于繼電器甚至接觸器一般也裝配在在配電柜里面，繼電器在斷開的瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高頻干擾，這個(gè)干擾就會(huì)通過空間輻射，干擾PLC的工作。這時(shí)候，就要對(duì)配電柜內(nèi)部的布局有一定的要求了。PLC應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離繼電器以及繼電器控制的大電流電纜，以減少空間輻射干擾。如果干擾仍然嚴(yán)重，可以考慮用錫紙把PLC包起來，相當(dāng)于給PLC單獨(dú)加一個(gè)屏蔽罩。

看了上面的內(nèi)容，有些設(shè)備工程師，會(huì)有疑惑：“我都這樣(沒有按照上面的要求做)做了幾十年了，也沒有出現(xiàn)什么問題呀”？雖然設(shè)備在工作，但卻不是最佳狀態(tài)，屬于“帶病工作”。

5、繼電器和接觸器的干擾和抑制措施

繼電器和接觸器都是感性負(fù)載，所用的干擾抑制措施與電磁閥所采用的措施基本相同。不過從小的控制用繼電器到大負(fù)載用的接觸器的容量相差很懸殊。對(duì)小的繼電器或接觸器，通常由可編程序控制器或微機(jī)直接進(jìn)行控制，而對(duì)大容量的接觸器往往需通過輔助繼電器進(jìn)行控制。一般情況下，觸點(diǎn)容量30A以下者RC回路為470Ω和0.1μF，觸點(diǎn)容量30A以上者，RC回路為470Ω和0.47μF。

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