电气设备内部干扰的抑制

1 干扰的产生和传递

1.1 干扰的产生

电气设备在工作过程中，除了要受到来自外部的干扰之外，还要受到来自内部的各种干扰。因此，对于电气设备的抗干扰来说，既要抑制外部干扰，又要尽可能的减小内部干扰对设备造成的不良影响。内部干扰可分为两大类，一种是内部噪声，另一种是内部的电磁和静电干扰。

1.2 内部噪声

电气设备的内部噪声是由于内部的各种元器件所产生的“热噪声”、“散粒噪声”和“接触噪声”。

（1）热噪声热噪声也称为电子噪声，它是设备内部中的电子元器件工作时产生的热量所造成的温度波动，以及环境温度的变化而引起的元器件参数的变化造成的，因为这一噪声是由于电子的热运动所产生的，因此被称为热噪声，这种噪声会随着温度的升高而增大。对这类噪声的抑制主要从降低设备内部的温度着手。

（2）散粒噪声散粒噪声是由电子（或空穴）的随机发射而引起的，主要存在于电子管、晶体管、场效应管、晶闸管等半导体器件中。由于半导体中的载流子都是一个个独立的，所以在各个短暂的瞬间，它们都是不连续和不规则的。这种不规则性所产生的电性能的变化，就成为频谱范围很宽的噪声。

（3）接触噪声接触噪声是由于两种材料之间的不完全接触而形成的电导率起伏变化所产生的。它们包括开关组件、接插件、继电器、接触器等触点的接触不良所产生的噪声，晶体管内部的动态噪声，元器件质量或特性不良产生的噪声，以及不同金属接触面所形成的电化噪声、接点噪声或松动引起的噪声等等。由于接触噪声多发生在低频段，所以是低频电路中最主要的噪声源。

1.3 内部的电磁和静电干扰

内部的电磁和静电干扰是由于内部的各种元器件的相互排列而引起的电场感应、磁场感应所产生的干扰。

（1）电场感应电场感应是由电场耦合而产生的一种干扰，也称为电容性耦合干扰，它是由于两单元电路间存在的分布电容所引起的，是两电路间电场相互作用的结果。由于实际电路中杂散电容的存在，这就势必使一个电路中电荷的变化影响到另一个电路，形成两电路间的相互影响。在频率极高的射频段，电场耦合干扰极为严重，在低频段如果电路的工作电平不高，即使在音频范围内，电场耦合的干扰也是不容忽视的。

（2）磁场感应磁场感应是由磁场耦合而产生的一种干扰，也称为电感性耦合干扰，它是由于两电路间（或回路间）存在的磁感应耦合而引起的，是磁场相互作用的结果，亦称为互感耦合，当两电路（回路）之间存在互感时，一个电路中电流的变化，必将通过磁场交链的形式耦合到另一电路。

图1 电场屏蔽

2 内部噪声的抑制

2.1 热噪声的抑制

电气设备内部的元器件在工作时会产生热量而使设备内部温度升高，反过来环境温度的升高促使元器件产生更大的噪声电压。产生噪声电压的元器件有电阻器、所有的半导体器件、变压器、电感线圈、发光器件等。针对热噪声的产生机理，我们可以采取如下几种措施：

（1）热屏蔽

热屏蔽就是把发热点用一种特殊的导热性能良好的材料做成的屏蔽罩“包围”（就像电磁屏蔽一样）起来，使其所产生的热量和散发的热量达到平衡使温度场恒定，从而达到减小（或没有）温度的变化，以抑制因温度的变化所带来的噪声干扰。

（2）热隔离

热隔离就是把那些易产生热量的元器件与那些对温度变化比较敏感的元器件用绝热性能好的材料隔离开。例如，若在同一控制箱内具有较大发热量的元器件和对温度较敏感的元器件的情况下，可在这二者之间加装隔热板，降低热辐射及热传导，以达到抑制因温度升高而引起的噪声干扰。

（3）强制散热

强制散热就是采用人工的方法，强制降低电气设备内部及其大功率器件的温度。一般来说，对于功率半导体器件应加装散热器，对于发热较大的电气设备应进行强制通风，以达到降低温度从而起到抑制热噪声的作用。

2.2 散粒噪声的抑制

散粒噪声是由元器件的固有性能所决定的，对于电气设备的研制者来说，是一个客观存在，设计人员只有更多地掌握元器件信息，不断地反复试验，在实践中总结经验，选择性价比最高的元器件，以取得最佳的抑制噪声的效果。

2.3 接触噪声的抑制

接触噪声的抑制仍然是一个实践性很强的问题，只有不断地实践摸索，才能够总结出抑制接触噪声的经验，才能够把接触噪声降到最低点

3 内部的电场和磁场干扰的抑制

3.1 电场感应的抑制

电场感应是由电场耦合而产生的一种干扰，当两个相互绝缘的导体相对放置时，一方的电荷变化，必将通过电场耦合而影响到另一方，这就是电容耦合。在电路板的布线中，电路之间的杂散电容、分布电容是产生电场耦合的通道。要抑制电场耦合带来的干扰，必须采取相应的措施，尽可能地降低杂散电容和分布电容，就可以降低电场耦合带来的干扰，具体措施如下：

（1）电场屏蔽

电场屏蔽是针对电场耦合所形成的干扰而采取的一种屏蔽措施。它是通过屏蔽体把干扰源（或需要保护的电路）封闭起来，切断电力线的通道，且必须把屏蔽体可靠接地。加装屏蔽体实质上是降低了干扰源与被保护电路之间的耦合电容。在图1（a)中，未采取屏蔽措施，A和B之间存在耦合电容CAB；在图1(b)中，虽然采取了屏蔽措施，但是屏蔽体却未接地，它们之间仍然存在耦合电容CCB；在图1(c)中，既采取了屏蔽措施，而且把屏蔽体接地，它们之间的耦合电容消失了。实践中电场屏蔽的方法有两种，第一种是用接地的屏蔽体包围干扰源，它可以有效地切断电力线的延伸，从而避免对其它电路形成的干扰；第二种是用接地的屏蔽体包围需要保护的电路，形成一个有效的“洁净”空间，从而避免了来自外界的电场耦合干扰。图1从（a)到(c)的演示过程说明“屏蔽罩”和“接地”之间的密切关系。只加“屏蔽罩”，而不“接地”是毫无意义的。

（2）布线和布局

合理的布线和布局是抗干扰措施中非常重要的一个环节。前面讲过，电场耦合就是电容耦合，而要减小电容耦合所带来的干扰，其实质就是要降低干扰源与被干扰电路之间的分布电容。在布局上，增大干扰源与对电场噪声敏感的电路之间的距离（增大距离就等于降低了耦合电容），在实践中不失为一种良策。在布线上，缩短布线长度，增加布线间的距离，都能够很好地抑制电容耦合噪声所带来的干扰。另外要强调的是，一定要把高压信号电路与低压信号电路隔离开来，如果不采取措施，那么低压信号电路，尤其是逻辑电路将不能正常工作。

(a)屏蔽板 (b)屏蔽体

图2 磁场屏蔽

图3 屏蔽层作信号回线减少干扰

3.2 磁场感应的抑制

磁场屏蔽是针对磁场耦合所形成的干扰而采取的一种屏蔽措施。磁场屏蔽与电场屏蔽之间存在着很大的差异，如果仍然采用“屏蔽体”加“接地”的办法，那么可能是得不偿失，收效甚微。因为“磁力线”与“电力线”不同，它能够穿出任何物体，“屏蔽体”可以隔断“电力线”，但却无法隔断“磁力线”。鉴于磁场的这种特殊性，对磁场的屏蔽可以采取如下几方面的措施：

（1）采用高导磁材料制做屏蔽体

图2（a)是在干扰磁场和被保护的电路之间放置一块由高导磁材料制做的“屏蔽板”，那么磁力线将从“屏蔽板”通过，该电路所在的空间中所通过的磁力线将大大减少，从而起到屏蔽的作用。图2(b)是在干扰磁场中用具有一定厚度的高导磁材料制成的密封“屏蔽体”，在这个“屏蔽体”的内部，形成了一个没有磁力线通过的“洁净区”。之所以这个密封的“屏蔽体”内不会有磁力线通过，是因为高导磁材料的磁阻非常小，因而磁力线被它旁路掉，从而形成了有效的磁场屏蔽。被保护的电路处于这个密封的“屏蔽体”内，就不会受到干扰磁场的侵害。大多数电气设备局部及整体绝大多数都用钢板密封正是基于这个原理。

（2）减少被保护电路的环路面积

由电磁感应定律可知，感应电势与环路的截面积成正比。因此减少被保护电路的环路面积，不失为一种有效的方法，可以收到明显的抑制干扰的效果。而设计者往往在电路布线设计时不太注意电流的返回路径，因此环路面积就不能被有效地减小，致使磁场感应的干扰电势也就不能得到有效的抑制。

（3）屏蔽磁场干扰源

磁场屏蔽与电场屏蔽有着本质的区别。电场屏蔽体能切断电力线，从而达到抑制噪声的作用。磁场屏蔽体却不能切断磁力线，但是我们可以利用相反原理来抵消磁场所产生的噪声，从而达到磁场屏蔽的目的。在某些场合，这种方法是十分有效的。如图3所示，在一个通有电流的导线周围施加一屏蔽层，并让屏蔽层流过一个和中心导线电流大小相等、方向相反的电流（即把屏蔽层用作信号返回线），则屏蔽层的电流将产生一个与中心电流所产生的磁场大小相等、方向相反的外部磁场，用于抵消由中心导线在屏蔽层所形成的磁场，消除了磁场所产生的噪声干扰。