硬件抗干擾技術.ppt

,第三章 硬件抗干擾技術,談英姿 東南大學自控系工業(yè)自動化教研室,第 2 頁,主要硬件抗干擾技術,接地 屏蔽 濾波,第 3 頁,接地,為什么要地線 地線問題地環(huán)路 地線問題公共阻抗耦合 接地方式種類 電纜屏蔽層的接地,第 4 頁,安全地,220V,0V,+,+,+,+,+,第 5 頁,信號地,定義：信號電流流回信號源的低阻抗路徑,第 6 頁,地線引發(fā)干擾問題的原因,V = I R,地線電壓,地線是等電位的假設不成立,電流走最小阻抗路徑,我們并不知道地電流的確切路徑,地電流失去控制,第 7 頁,地線電位示意圖, 2mV,200mV,2mV 10mV,10mV 20mV,20mV 100mV,100mV 200mV,第 8 頁,導線的阻抗,Z = RAC + jL,L 1H/m, = 1 / ( f r r)1/2,RAC= 0.076r f1/2 RDC,r,電流,深度,0.37I,I,趨膚效應,第 9 頁,導線的阻抗,第 10 頁,金屬條與導線的阻抗比較,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,S / W,金屬條阻抗/導線阻抗,第 11 頁,地線問題地環(huán)路,IG,VG,VN,地環(huán)路,I1,I2,第 12 頁,隔離變壓器,屏蔽層只能接2點！,C2,VG,1,2,C1,屏蔽,CP,VG,VS,VN,RL,第 13 頁,光隔離器,發(fā)送,接收,RL,VG,VS,光耦器件,Cp,第 14 頁,共模扼流圈的作用,Vs,R1,R1,RL,L,VG,IN1,IN2,IS,VS + VN, = R1 / L,VN / VG,RL/（RS + RL）,M,f,第 15 頁,平衡電路對地環(huán)路干擾的抑制,VG,RS1,VS1,RS2,RL2,RL1,VS2,IN1,IN2,IS,VL,第 16 頁,地線問題公共阻抗耦合,電路1,電路2,地電流1,地電流2,公共地阻抗,V,第 17 頁,接地方式種類,信號接地方式,并聯(lián)單點接地,串聯(lián)單點接地,混合接地,多點接地,單點接地,第 18 頁,單點接地,1,2,3,1,2,3,串聯(lián)單點接地 優(yōu)點：簡單 缺點：公共阻抗耦合,并聯(lián)單點接地 優(yōu)點：無公共阻抗耦合 缺點：接地線過多,I1,I2,I3,I1,I2,I3,A,B,C,A,B,C,R1,R2,R3,第 19 頁,串聯(lián)單點、并聯(lián)單點混合接地,模擬電路1,模擬電路2,模擬電路3,數(shù)字邏輯控制電路,數(shù)字信息處理電路,繼電器驅動電路,馬達驅動電路,第 20 頁,線路板上的地線,噪聲,模擬,數(shù)字,第 21 頁,長地線的阻抗,設備,Z0 = (L/C)1/2,R,R,L,L,C,C,FP1 = 1/2(LC)1/2,ZP = (L)2/R,RAC,RDC,串聯(lián)諧振,并聯(lián)諧振,第 22 頁,多點接地,R1,R2,R3,L1,L2,L3,電路1,電路2,電路3,第 23 頁,混合接地,Vs,地電流,Rs,Vs,安全接地,Rs,安全接地,地環(huán)路電流,第 24 頁,屏蔽,屏蔽的概念 電屏蔽 磁屏蔽 電磁屏蔽 實際屏蔽體的問題 雙絞線和金屬屏蔽線,第 25 頁,屏蔽的概念,屏蔽就是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳播的一種措施； 屏蔽體是為了阻止或減小電磁能傳輸而對裝置進行封閉或遮蔽的一種阻擋層，它可以是導電的、導磁的、介質(zhì)的或帶有非金屬吸收填料的。,第 26 頁,屏蔽效能,屏蔽前的場強E1,屏蔽后的場強E2,屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量: SE = 20 lg ( E1/ E2 ) dB,第 27 頁,屏蔽效能與場強衰減的關系,屏蔽效能越高，每增加的難度越大。民用設備的機箱一般僅需要左右的屏蔽效能，而軍用設備的機箱一般需要以上的屏蔽效能。,第 28 頁,電屏蔽,具有空腔的金屬導體在靜電平衡狀態(tài)下，不僅導體內(nèi)部場強為零，而且腔內(nèi)場強也為零，因而置于腔內(nèi)的物體不受外界電場的影響，這種作用叫靜電屏蔽。,第 29 頁,電屏蔽,靜電屏蔽的一般方法是在電容耦合通道上插入一個接地的金屬屏蔽導體。 由于金屬屏蔽導體接地，其中的干擾電壓為零，從而隔斷了電場干擾的原來耦合通道。,C1s,C1G,C2G,V1,Vs,第 30 頁,磁屏蔽,載流導體或線圈周圍都會產(chǎn)生磁場，如果電流是隨時間變化的，則磁場也隨時間變化，這變化的磁場會對其他元件或電路造成干擾； 對于低頻磁場的屏蔽，主要依賴高導磁率材料所具有的小磁阻起磁分路作用,第 31 頁,高導磁率材料的磁旁路效果,H0,H1,H0,Rs,R0,H1,R0,Rs,SE = 1 + R0/RS,第 32 頁,怎樣屏蔽低頻磁場？,低頻磁場,低頻,磁場,吸收損耗小,反射損耗小,高導電材料,高導磁材料,高導電材料,第 33 頁,磁屏蔽材料的頻率特性,1,5,10,15,坡莫合金,金屬,鎳鋼,冷軋鋼,0.01 0.1 1.0 10 100 kHz,r 103,第 34 頁,電磁屏蔽,電磁屏蔽是對于高頻電磁場的屏蔽 電磁波在通過金屬材料或對電磁波有衰減作用的阻擋層時，會受到一定程度的衰減，這就起到了電磁屏蔽的作用。,第 35 頁,趨膚深度舉例,第 36 頁,電磁屏蔽與靜電屏蔽,電磁屏蔽指的是對電磁波的屏蔽，而靜電屏蔽指的是對靜電場的屏蔽。 靜電屏蔽要求屏蔽體必須接地。 影響屏蔽體電磁屏蔽效能的不是屏蔽體接地與否，而是屏蔽體導電連續(xù)性。破壞屏蔽體的導電連續(xù)性的因素有屏蔽體上不同部分的接縫、開口等。 電磁屏蔽對屏蔽體的導電性要求要比靜電屏蔽高得多。,第 37 頁,實際屏蔽體的問題,通風口,顯示窗,鍵盤,指示燈,電纜插座,調(diào)節(jié)旋鈕,實際機箱上有許多泄漏源：不同部分結合處的縫隙通風口、顯示窗、按鍵、指示燈、電纜線、電源線等,電源線,縫隙,第 38 頁,縫隙的泄漏,低頻起主要作用,高頻起主要作用,第 39 頁,縫隙的處理,電磁密封襯墊,縫隙,第 40 頁,電磁密封襯墊的種類,金屬絲網(wǎng)襯墊(帶橡膠芯的和空心的) 導電橡膠(不同導電填充物的) 指形簧片(不同表面涂覆層的) 螺旋管襯墊(不銹鋼的和鍍錫鈹銅的) 導電布,第 41 頁,指形簧片,第 42 頁,螺旋管電磁密封襯墊,第 43 頁,電磁密封襯墊的主要參數(shù),屏蔽效能 (關系到總體屏蔽效能) 回彈力（關系到蓋板的剛度和螺釘間距） 最小密封壓力（關系到最小壓縮量） 最大形變量（關系到最大壓縮量） 壓縮永久形變（關系到允許蓋板開關次數(shù)） 電化學相容性（關系到屏蔽效能的穩(wěn)定性）,第 44 頁,各種電磁密封襯墊的特點,第 45 頁,電磁密封襯墊的安裝方法,絕緣漆,環(huán)境密封,第 46 頁,顯示窗/器件的處理,隔離艙,濾波器,屏蔽窗,濾波器,第 47 頁,操作器件的處理,屏蔽體上開小孔,用隔離艙將操作器件隔離出,第 48 頁,通風口的處理,穿孔金屬板,第 49 頁,屏蔽電纜穿過屏蔽機箱的方法,第 50 頁,屏蔽殼體上的穿線,屏蔽殼體上不允許有任何導線穿過，屏蔽效能再高的屏蔽體，一旦有導線穿過屏蔽體，屏蔽體的屏蔽效能就會大幅度下降。這是因為導線充當了接收干擾和輻射干擾的天線。當有導線要穿過屏蔽體時，必須使用貫通濾波器，如圖所示。這樣可以將導線接收到的干擾濾除到屏蔽體上，從而避免干擾穿過屏蔽體。,第 51 頁,搭接,電子設備中，金屬部件之間的低阻抗連接稱為搭接。例如： 電纜屏蔽層與機箱之間搭接 屏蔽體上不同部分之間的搭接 濾波器與機箱之間的搭接 不同機箱之間的地線搭接,第 52 頁,搭接不良的濾波器,濾波器接地阻抗,預期干擾電流路徑,實際干擾電流路徑,第 53 頁,搭接不良的機箱,V,I,航天飛行器上的搭接阻抗要小于2.5m!,第 54 頁,搭接阻抗的測量,機柜,搭接阻抗,頻率,寄生電容,導線電感,并聯(lián)諧振點,V,I,Z = V / I,第 55 頁,不同的搭接條,第 56 頁,頻率不同搭接方式不同,第 57 頁,搭接點的保護,第 58 頁,雙絞線和金屬屏蔽線,抑制靜電感應干擾采用金屬網(wǎng)的屏蔽線； 抑制電磁感應干擾采用雙絞線,第 59 頁,金屬屏蔽線,第 60 頁,雙絞線的節(jié)距,第 61 頁,雙絞線的接地與傳送距離,傳送距離在5米以下,第 62 頁,雙絞線的接地與傳送距離,傳送距離在10米以上,第 63 頁,屏蔽線的抗干擾原理,屏蔽層不接地：VN = VS =V1 C1S / ( C1S + C2G ) ，與無屏蔽相同 屏蔽層接地時：VN = VS = 0， 具有理想的屏蔽效果,C1s,C1G,C2G,C1G,C2G,C1s,Vs,V1,V1,Vs,C2S,第 64 頁,屏 蔽 要 點,靜電屏蔽應具有兩個基本要點，即完善的屏蔽體和良好的接地。 電磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽體具有良好的導電連續(xù)性，對屏蔽體的導電性要求要比靜電屏蔽高得多。 在實際的屏蔽中，電磁屏蔽效能更大程度上依賴于機箱的結構，即導電的連續(xù)性。機箱上的接縫、開口等都是電磁波的泄漏源。穿過機箱的電纜也是造成屏蔽效能下降的主要原因。 解決機箱縫隙電磁泄漏的方式是在縫隙處用電磁密封襯墊。電磁密封襯墊是一種導電的彈性材料，它能夠保持縫隙處的導電連續(xù)性。常見的電磁密封襯墊有導電橡膠、雙重導電橡膠、金屬編織網(wǎng)套、螺旋管襯墊、定向金屬導電橡膠等。,第 65 頁,濾波,濾波器的作用 濾波器的種類 信號濾波器的安裝位置 濾波器的正確安裝,第 66 頁,濾波器的概念,無源濾波器 有源濾波器 數(shù)字濾波器 衰減系數(shù),第 67 頁,濾波器的作用,信號濾波器,電源濾波器,切斷干擾沿信號線或電源線傳播的路徑，與屏蔽共同構成完善的干擾防護。,第 68 頁,滿足電源線干擾發(fā)射和抗擾度要求,第 69 頁,滿足抗擾度及設備輻射發(fā)射要求,信號線濾波器,干擾源,第 70 頁,開關電源噪聲,50Hz的奇次諧波（1、3、5、7 ） 開關頻率的基頻和諧波（1MHz以下差模為主，1MHz以上共模為主）,第 71 頁,濾波器的種類,衰減,衰減,衰減,衰減,低通,帶通,高通,帶阻,3dB,截止頻率,第 72 頁,低通濾波器類型,C,T,L,反,第 73 頁,濾波器的選擇,根據(jù)阻抗選用濾波電路 器件參數(shù)的確定 低通濾波器對脈沖信號的影響,第 74 頁,根據(jù)阻抗選用濾波電路,規(guī)律：電容對高阻，電感對低阻,第 75 頁,器件參數(shù)的確定,L,C,R,R,L = R / 2FC C = 1 / 2RFC 對于T形（多級T）和 形（多級）電路，最外邊的電感或電容取 L/2 和 C/2，中間的不變。,第 76 頁,實際電容器的特性,ZC,實際電容,理想電容,f,引線長1.6mm的陶瓷電容器,1/2 LC,C,L,第 77 頁,陶瓷電容諧振頻率,1nf,1M,100k,10,1,0.1,10k,1k,100,10Hz 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G,阻抗 ,100pf,10nf,100nf,10f,1f,10mf,100f,1m,10cm,1cm,1mm,第 78 頁,溫度對陶瓷電容容量的影響,0.15,-0.15,0,-55,125,5,-15,0,-55,125,-10,-5,COG,X7R,-60,20,-30,90,-30,0,Y5V,30,%C,%C,%C,第 79 頁,電壓對陶瓷電容容量的影響,COG,X7R,Y5V,20,0,-20,-40,-60,-80,0 20 40 60 80 100 %額定電壓（Vdc）,%C,第 80 頁,實際電感器的特性,ZL,理想電感,實際電感,f,繞在鐵粉芯上的電感,1/2 LC,L,C,第 81 頁,電感寄生電容的來源,每圈之間的電容 CTT 導線與磁芯之間的電容CTC,磁芯為導體時，CTC為主要因素， 磁芯為非導體時，CTT為主要因素。,第 82 頁,克服電容非理想性的方法,衰減,電容并聯(lián) LC并聯(lián) 電感并 聯(lián),小電容,大電容,并聯(lián)電容,頻率,大容量,小容量,第 83 頁,三端電容器的原理,引線電感與電容一起構成了一個T形低通濾波器 在引線上安裝兩個磁珠濾波效果更好,地線電感起著不良作用,三端電容,普通電容,30 70 1GHz,20,60,40,第 84 頁,三端電容的正確使用,接地點要求： 1 干凈地 2 與機箱或其它較大 的金屬件射頻搭接,第 85 頁,三端電容器的不足,寄生電容造成輸入端、輸出端耦合,接地電感造成旁路效果下降,第 86 頁,穿心電容更勝一籌,金屬板隔離輸入輸出端,一周接地電感很小,第 87 頁,穿心電容、饋通濾波器,以穿心電容為基礎的饋通濾波器,第 88 頁,饋通濾波器使用注意事項,必須安裝在金屬板上，并在一周接地 最好焊接，螺紋安裝時要使用帶齒墊片 焊接時間不能過長 上緊螺紋時扭矩不能過大,第 89 頁,線路板上使用饋通濾波器,線路板地線面,上面,底面,第 90 頁,減小電感寄生電容的方法,然后： 起始端與終止端遠離（夾角大于40度） 盡量單層繞制，并增加匝間距離 多層繞制時， 采用“漸進”方式繞，不要來回繞 分組繞制 （要求高時，用大電感和小電感串聯(lián)起來使用）,如果磁芯是導體，首先： 用介電常數(shù)低的材料增加繞組導體與磁芯之間的距離,第 91 頁,共模扼流圈,共模扼流圈中的負載電流產(chǎn)生的磁場相互抵銷，因此磁芯不會飽和。,第 92 頁,電感磁芯的選用,鐵粉磁芯：不易飽和、導磁率低，作差模扼流圈的磁芯,鐵氧體：最常用,錳鋅：r = 500 10000，R = 0.1100m,鎳鋅：r = 10 100，R = 1k 1Mm,超微晶：r 10000，做大電感量共模扼流圈的磁心,第 93 頁,干擾抑制用鐵氧體,Z = jL + R,R,Z,L,R(f),1MHz 10MHz 100MHz