[激光器原理与应用-8]： 激光器电路的电磁兼容性EMC设计

Posted 2022-08-02 文火冰糖的硅基工坊

目录

第1章 什么是电磁兼容性EMC

1.1 什么是EMC

1.2 电磁兼容设计要求

1.3 电磁干扰源

1.4 电磁干扰传播途径

1.5 电磁兼容的主要研究对象

第2章 提高电磁兼容性的措施

2.1 常见措施

2.2 抑制电磁污染

第3章 EMC设计

3.1 电源方面

3.2 信号线方面

3.3 模拟信号方面

3.4 数字信号

3.5 电路设计方面

第4章 激光器电路的设计注意事项

4.1 电路示意图

4.2 电磁干扰EMI

4.3 电磁耐受性EMS（抗干扰）

4.3 电源部分

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第1章 什么是电磁兼容性EMC

1.1 什么是EMC

EMC（Electro Magnetic Compatibility）

电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility）各种电气或电子设备在电磁环境复杂的共同空间中，以规定的安全系数满足设计要求的正常工作能力。也称电磁兼容性。

电磁兼容性（EMC）是指电子设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。

EMC包括EMI（电磁干扰）及EMS（电磁耐受性）两部分:

一方面（不干扰别人）：是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰EMI不能超过一定的限值；

另一方面（不被别人干扰）：是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性EMS。

电磁兼容的研究是随着电子技术逐步向高频、高速、高精度、高可靠性、高灵敏度、高密度（小型化、大规模集成化），大功率、小信号运用、复杂化等方面的需要而逐步发展的。特别是在人造地球卫星、导弹、计算机、通信设备和潜艇中大量采用现代电子技术后，使电磁兼容问题更加突出。

1.2 电磁兼容设计要求

在进行电磁兼容设计时要求：

①明确系统的电磁兼容指标。电磁兼容设计包括本系统能保持正常工作的电磁干扰环境和本系统干扰其它系统的允许指标。

②在了解本系统干扰源、被干扰对象、干扰途径的基础上，通过理论分析将这些指标逐级分配到各分系统、子系统、电路和元件、器件上。

③根据实际情况，采取相应措施抑制干扰源，消除干扰途径，提高电路的抗干扰能力。

④通过实验来验证是否达到了原定的指标要求，如未达到则进一步采取措施，循环多次，直至达到原定指标为止。

1.3 电磁干扰源

分为自然的和人为的两种。

自然干扰源主要包括大气中发生的各种现象，如雷电、风雪、暴雨、冰雹、沙暴等产生的噪声。

自然干扰源还包括来自太阳和外层空间的宇宙噪声，如太阳噪声、星际噪声、银河噪声等。

人为干扰源是多种多样的，如各种信号发射机、振荡器、电动机、开关、继电器、氖灯、荧光灯、发动机点火系统、电铃、电热器、电弧焊接机、高速逻辑电路、门电路、可控硅逆变器、气体整流器、电晕放电、各种工业、科学和医用高频设备、城市噪声、电气铁道引起的噪声以及由核爆炸产生的核电磁脉冲等。

1.4 电磁干扰传播途径

可分为两种：

传导干扰和辐射干扰。

沿着导体传播的干扰称为传导干扰，其传播方式有电耦合、磁耦合和电磁耦合。

通过空间以电磁波形式传播的电磁干扰称为辐射干扰，其传播方式有近区场感应耦合和远区场辐射耦台。

此外，传导干扰与辐射干扰还可能同时存在，从而形成复合干扰。

1.5 电磁兼容的主要研究对象

①各种人为噪声，如输电线电晕噪声、汽车噪声、接触器自身噪声及导体开台时放电引起的噪声、电气机车噪声、城市噪声等。

②共用走廊内各种公用事业设备（输电线、通信、铁路、公路、石油金属管线等）相互间的影响。

③超高层建筑、输电线、铁塔等大型建筑物引起的反射问题。

④电磁环境对人类及各种生物的作用。其中包括强电线等工频场，中、短波及微波电磁辐射的影响。

⑤核电磁脉冲的影响。高空核爆炸产生的电磁脉冲能大面积破坏地面上的指挥、控制、通信、计算机及报系统。

⑥探谱（TEMPEST）技术。其实质内容是针对信息设备的电磁辐射与信息泄漏问题，从信息接收和防护两方面所开展的一系列研究工作。

⑦电子设备的误动作。为了防止误动作，必须采取措施以提高设备的抗干扰能力。

⑧频谱分配与管理。无线电频谱是一种有限的资源，但不是消耗性的，既要科学地管理，又要充分地利用。

⑨电磁兼容与测量。

⑩自然界影响等。

第2章 提高电磁兼容性的措施

2.1 常见措施

①使用完善的屏蔽体可防止外部辐射进入本系统，也可防止本系统的干扰能量向外辐射。

屏蔽体应保持完整性，对必不可少的门、缝、通风孔和电缆孔等须妥善处理，屏蔽体要有可靠的接地。

②设计合理的接地系统，小信号、大信号和产生干扰的电路尽量分开接地，接地电阻尽可能小。

③使用合适的滤波技术，滤波器的通带经过合理选择，尽量减小漏电损耗。

④使用限幅技术，限幅电平应高于工作电平，并且应双向限幅。

⑤正确选用连接电缆和布线方式，必要时可用光缆代替长电缆。

⑥采用平衡差动/分电路、整形电路、积分电路和选通电路等技术。

⑦系统频率分配要恰当。

当一个系统中有多个主频信号工作时，尽量使各信号频率避开，甚至避开对方的谐振频率。

⑧共用走廊的各种设备，在条件许可时，应保持较大的隔距，以减轻相互之间的影响。

2.2 抑制电磁污染

抑制电磁污染的首要措施是找出污染源；其次是判断污染侵入的路途，主要有传导和辐射两种方式，工作重点是确定干扰量。

解决电磁兼容问题应从产品的开发阶段开始，并贯穿于整个产品或系统的开发，生产全过程。

国内外大量的经验表明，在产品或系统的研制生产过程中越早注意解决电磁兼容问题，越可以节约人力与物力。

电磁兼容设计的关键技术是对电磁干扰源的研究，从电磁干扰源处控制其电磁发射是治本的方法。控制干扰源的发射，除了从电磁干扰源产生的机理着手降低其产生电磁噪声的电平外，还需广泛地应用屏蔽（包括隔离）、滤波和接地技术。

屏蔽：主要运用各种导电材料，制造成各种壳体并与大地连接，以切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径，隔离主要运用继电器、隔离变压器或光电隔离器等器件来切断电磁噪声以传导形式的传播途径，其特点是将两部分电路的地线系统分隔开来，切断通过阻抗进行耦合的可能。

滤波：是在频域上处理电磁噪声的技术，为电磁噪声提供一低阻抗的通路，以达到抑制电磁干扰的目的。例如，电源滤波器对50Hz的电源频率呈现高阻抗，而对电磁噪声频谱呈现低阻抗。

接地：包括接地、信号接地等。接地体的设计、地线的布置、接地线在各种不同频率下的阻抗等不仅涉及产品或系统的电气安全，而且关联着电磁兼容和其测量技术

第3章 EMC设计

由于微电脑的依存度正不断提高，设备的大量使用，复杂了我们的电磁环境，因此外来的干扰如脉冲噪声、放射电磁场、静电、雷击、电压变动等，所引发的误动作产生当机甚至破坏的情形，如无线电的通讯、雷达、大哥大、电视游乐器⋯⋯等，往往干扰到电视，甚至于造成医疗器材使用中的误动作，影响到飞航的安全。

国际上对于电子、电器、工业设备产品的抗扰性测试日渐重视，且趋向整合以IEC（InternationalElectrotechnicalCommission）国际规格为测试标准，欧洲共同体率先制定EMC防治法规，于1996年起全面实施抗扰测试。

3.1 电源方面

1. 三相入力电源在NFB（无熔丝断路器）与变压器间装噪声滤波器（NoiseFilter），此滤波器的输入线愈短愈好。
2. 电源及大电流导线紧贴电气箱之底部，并沿着边角布线。
3. 开关式电源供应器加装隔离罩以防辐射性发射干扰，
4. 滤波器选用器选用π型或T型可抑制宽波段噪声，陶铁磁体（Ferrite）材质可抑制射频噪声。
5. 电源线两端考虑采隔离接地，以免接地回路（GroundLoop）形成共同阻抗耦合（CommonImpedance Coupling）将噪声耦合至信号线。
6. 电源线与信号线尽量采用隔离或分开配线。
7. 电源变压器应加隔离（Shielding），外壳须接地良好。
8. 单相AC控制线建议采用绞线。
9. 直流导线建议使用绞线来配线。
10. 避免将电源与信号线接至同一接头。

3.2 信号线方面

1. 信号输入线与输出线应避免排在一起造成干扰。
2. 应将CABLE剩余不用之线单端接地，以避免形成感应回路。
3. 接近电源线附近的信号线考虑采用捻合（Twist）。
4. 不同类别的信号线避免混杂接在一个连接头上，宜按类别分类并加地线隔离。
5. 输入信号线与输出线尽量避免同在一个接头上，如不能避免时应将输入与输出信号错开。
6. 敏感性较高之低准位信号线，除采用绞线外可加隔离遮蔽。

3.3 模拟信号方面

1. 高频的模拟信号及脉波信号线建议采用隔离线。
2. 高频模拟信号线采用同轴式隔离线，低频之类比信号线采用绞线，必要时可外加隔离遮蔽，绝不可使用同轴隔离线。
3. 连接头安装位置须清洁处理，接头及金属面的接触电阻须小于2.5m欧姆。
4. 模拟电路干扰以波形失真为主，抑制方法主要在滤波器选用的特性，例如；带宽、频率响应值。
5. 模拟信号线与数字排线必须相互垂直。

3.4 数字信号

• 避免使用未隔离遮蔽的导线来传送数字信号，宜使用多股绞线外加隔离线。
• 数字电路干扰以外在磁场干扰为主，应加隔离措施。
• 数字电路易受高能电场干扰，须使用隔离线隔离，以能防止1∼10MHz频段之高能电场200V/m干扰为最佳隔离选择。
• 数字电路以抑制邻近电路脉波与尖波（Spikes）干扰为主。
• 数字电路传送避免使用过长且未加隔离之导线。

3.5 电路设计方面

1. 具干扰性的回路，如时脉、驱动器、交换式电源的ON和OFF、振荡器式控制信号，应加隔离遮蔽。
2. 各型PCB电路设计尽可能选用低噪声零组件，且须考虑噪声变化与环境温度变化之关系。
3. 陶铁磁体铁芯（Ferritecore）适用于高频滤波，但须注意经由此线圈负载功率损耗。
4. 稳压器须考虑抑制线路间共通阻抗耦合（CommonImpedance Coupling）EMI问题。
5. 振荡器本身输出越小越好，如须要较大输出，宜由放大器放大。
6. 功率放大应予隔离以防止辐射性发射。
7. 电解质电容器适于清除高涟波（HighRipple）及暂态电压（Transient Voltage）变化。
8. 动力线的干扰有低压（或瞬间断电）超压及突波，这些干扰通常来自于电力开关的动作、重负载的开与关之瞬间、功率半导体动作、保险丝烧断时、雷电感应…等。
9. 须考虑下述项目来抑制：
10. 使用电源滤波器。
11. 适当的电力分配。
12. 受干扰的装置改用另一电路。
13. 将电子零件及滤波器适当的包装。
14. 使用隔离变压器。
15. 装置压敏电阻。
16. 交流电磁接触器线圈、电磁阀，皆须联结火花消除器。
17. 电磁开关之热电驿输出侧须联结三相火花消除器。
18. 直流继电器线圈联结二极管，以供反相电压保护。
19. 火花消除器距离负载侧愈近愈好。
20. 把突波吸收器装于电路开关和噪声滤波器之间，线与线间，线与接地之间，将能有效吸收突波。

第4章 激光器电路的设计注意事项

4.1 电路示意图

主要信号类型：

1. 电源 （EMC敏感）
2. 内外的Q驱 RF信号 （EMC敏感）
3. 电流信号（EMC不敏感）
4. 温度信号（EMC不敏感）

4.2 电磁干扰EMI

（1）干扰源1：Q驱动

在激光器中，能够产生对外电磁干扰的电路是Q驱，Q驱的输出为频率为27 MHz、41MHz、80 MHz的视频信号。

（2）措施：

• 尽量降低Q驱的电压
• 尽量降低射频信号的输出功率
• 尽量增加对Q驱周围器件的屏蔽，降低RF信号在Q驱周边的外泄
• 整个激光器采用金属外壳，尽量降低RF信号在激光器周围的外泄
• 增加吸波材料，尽量吸收RF射频信号
• 使用“闷头”，吸收多余的RF信号

4.3 电磁耐受性EMS（抗干扰）

1. 激光器使用具有屏蔽能力的金属外壳
2. 激光器的金属外壳要接大地
3. 内部信号充分接地
4. Gate信号线和Freq信号线、地线最好能够加屏蔽，与电源线分开连接

4.3 电源部分

激光器的输入电流高达几十个安培，

1. 输入直流电源线尽可能的粗，降低电源的电阻
2. 激光器的地线尽可能的粗，降低地线的电阻
3. 外部电源和地线并行走线
4. 购买经过EMC认证的电源模块，对220V电源输入端支持滤波。
5. 内部板子要分开接地
6. 接地线要足够的粗、电阻足够小，接近0欧电阻