電磁兼容的概念和設(shè)計方法及實例介紹

摘要：電和磁是互相關(guān)聯(lián)的。每一臺電子設(shè)備都不可避免電磁兼容問題。因此，為了使電子設(shè)備可靠運行，必須研究電磁兼容技術(shù)。以實例說明了電磁兼容的思路和設(shè)計方法。通過對電磁干擾源的明確認(rèn)識，對電磁干擾引入路徑的清楚了解，針對電磁干擾敏感的接收電路進行重點保護。

關(guān)鍵詞：電磁兼容；電磁干擾；設(shè)計

Concepts and Design Methods of Electromagnetic Compatibility 

YAN Xiu-sheng, NING Tian-fu, GUO Xiang-yu, GUO Yun-zhi 

Abstract:Electricity and magnetism is interrelated. Each and every electric equipment don′ t avoid the problem on electromagnetic compatibility.Therefore,in order that the electric equipment can operate well,it is necessary to research the technology of electromagnetic compatibility.The thinking and design method of electromagnetic compatibility are explained by examples.To understand the source of EMI and the propagative way of EMI clearly the key protection of sensitive receiving circuit for EMI can be carried out.

Keywords:Electromagnetic compatibility; Electromagnetic interference; Design 　

1  引言

    1822年安培提出了一切磁現(xiàn)象的根源是電流的假說。1831年法拉第發(fā)現(xiàn)變化的磁場在導(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的規(guī)律。1864年麥克斯韋全面論述了電和磁的相互作用，提出了位移電流的理論，總結(jié)出麥克斯韋方程，預(yù)言電磁波的存在，麥克斯韋的電磁場理論是研究電磁兼容的理論基礎(chǔ)。1881年英國科學(xué)家希維賽德發(fā)表了“論干擾”的文章，標(biāo)志著電磁兼容性研究的開端。

    1888年德國科學(xué)家赫茲首創(chuàng)了天線，第一次把電磁波輻射到自由空間，同時又成功地接收到電磁波。從此開始了電磁兼容性的實驗研究。

    1889年英國郵電部門研究了通信中的干擾問題，使電磁兼容性研究開始走向工程化。1944年德國電氣工程師協(xié)會制訂了世界上第一個電磁兼容性規(guī)范VDE0878，1945年美國頒布了第一個電磁兼容性軍用規(guī)范JAN－I－225。

    我國從1983年開始也陸續(xù)頒布了一系列有關(guān)電磁兼容性規(guī)范。

    雖然電磁干擾問題由來已久，但電磁兼容這個新興的綜合性學(xué)科卻是近代形成的。主要研究和應(yīng)用的內(nèi)容包括：電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范；分析和預(yù)測；設(shè)計；實驗測量；開發(fā)屏蔽材料；培訓(xùn)教育和管理等。

2  電磁兼容的重要性

2.1  為了電子設(shè)備工作的可靠性

    電磁兼容性是指電子設(shè)備在電磁環(huán)境中正常工作的能力。電磁干擾是對電子設(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子設(shè)備的正常工作，甚至造成電子設(shè)備中的某些元器件損害。因此，對電子設(shè)備的電磁兼容技術(shù)要給予充分的重視。既要注意電子設(shè)備不受周圍電磁干擾而能正常工作，又要注意電子設(shè)備本身不對周圍其它設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，影響其它設(shè)備正常運行。

2.2  為了電子設(shè)備的國際接軌

    近來，電磁兼容性已由事后處理發(fā)展到預(yù)先分析、預(yù)測和設(shè)計。電磁兼容已成為現(xiàn)代工程設(shè)計中的重要組成部分。電磁兼容性達(dá)標(biāo)認(rèn)證已由一個國家范圍向全球地區(qū)發(fā)展，使電磁兼容性與安全性、環(huán)境適應(yīng)性處于同等重要地位。

    例如，歐共體將產(chǎn)品的電磁兼容性要求納入技術(shù)法規(guī)，強制執(zhí)行89/336/EEC指令，規(guī)定從1996年1月1日起電氣和電子產(chǎn)品必須符合電磁兼容性要求，并加貼CE標(biāo)志后才能在市場銷售。

    為了與國際接軌，我國外經(jīng)部和國家出入境檢驗局于1999年1月起對個人計算機、顯示器、打印機、開關(guān)電源、電視機和音響設(shè)備實施電磁兼容性強制檢測。國家技術(shù)監(jiān)督局規(guī)定從2002年10月起陸續(xù)對聲音和電視廣播設(shè)備、信息技術(shù)設(shè)備、家用電器、電動工具、電源、照明電器、電點火驅(qū)動裝置、金融結(jié)算電子設(shè)備、安防電子產(chǎn)品和低壓電器實施電磁兼容性強制性認(rèn)證。

2.3  為了人身和某些特殊材料的安全

    電磁波通過與電爆裝置的控制電路感應(yīng)耦合，形成的干擾電流可能引起電爆裝置的爆炸。因此GJB786中規(guī)定，電引爆器導(dǎo)線上的電磁干擾感應(yīng)電流和電壓必須小于最大不發(fā)火電流和電壓的15％。另外，各種燃油在強電磁場的作用下（直接照射、電火花、靜電放電）有發(fā)生燃燒和爆炸的危險；電磁能量通過對人體組織的物理化學(xué)作用會產(chǎn)生有害的生理效應(yīng)。因此，為了人身和某些特殊材料的安全，GJB786中還規(guī)定，電子設(shè)備的電磁輻射量連續(xù)波的平均功率密度不允許超4mW/cm2，脈沖波的平均功率密度不允許超過2mW/cm2。

2.4  為了當(dāng)今和未來戰(zhàn)爭的需要

    核爆炸時產(chǎn)生的電磁脈沖，以光速向外輻射傳播，其電場強度可達(dá)105V/m，磁場強度可達(dá)260A/m，脈沖寬度為20ns量級，電磁脈沖峰值處頻率為105Hz。這種電磁脈沖作用于電子設(shè)備時，輕者造成電子設(shè)備性能惡化，重者造成電路元器件損壞。

    特別是在當(dāng)今和未來戰(zhàn)爭中，已經(jīng)應(yīng)用的電磁脈沖彈和正在研制的高功率微波武器都具有類似核爆炸時產(chǎn)生的電磁脈沖輻射，將對電子設(shè)備構(gòu)成致命威脅。而電磁兼容可以為對抗這種威脅提供基本技術(shù)指導(dǎo)。

3  電磁兼容的設(shè)計思路

    為了提高電子設(shè)備的電磁兼容能力，必須從開始設(shè)計時就給予電磁兼容性以足夠的重視。電磁兼容的設(shè)計思路可以從電磁兼容的三要素，即電磁干擾源、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入手。也就是

    1）首先，要充分分析電子設(shè)備可能存在的電磁干擾源及其性質(zhì)，盡量消除或降低電磁干擾源的參數(shù)。

    2）其次，要充分了解電磁干擾可能傳播的路徑，盡量切斷其路徑，或降低與電磁干擾耦合的能力。

    3）最后，要充分認(rèn)識易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件，盡量杜絕其接收電磁干擾的可能性。

    據(jù)此，在設(shè)計時應(yīng)采取相應(yīng)對策，消除或部分消除可能出現(xiàn)的電磁干擾，以減輕調(diào)試工作的壓力。在調(diào)試中，針對具體出現(xiàn)的電磁干擾，以及接收電磁干擾的電路和元器件的表現(xiàn)進行分析，以確定電磁干擾源所在及電磁干擾可能傳播的路徑，再采取相應(yīng)的解決辦法。

4  電磁兼容的具體實例

4.1  對電磁干擾源要有明確的認(rèn)識

    例如，某探測設(shè)備在探測元件無輸入信號時，其放大器輸出端的干擾信號峰峰值為50.8mV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該探測設(shè)備輸出端最小探測信號電壓峰峰值4.0mV的要求，致使整個設(shè)備無法正常工作。

    該臺探測設(shè)備的驅(qū)動電源采用直流斬波式方波交流電源，驅(qū)動螺線管電磁鐵往復(fù)運動，由上可見，驅(qū)動電源的負(fù)載為感性的電磁線圈。對感性的電磁線圈采用直流斬波式方波交流電源供電，在斬波時將產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。因為感性的電磁線圈中的電流變化必然產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電流變化越快，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大。這種感應(yīng)電動勢將會通過某種路徑傳導(dǎo)耦合到放大器的輸出級，而成為嚴(yán)重的電磁干擾。

    該臺探測設(shè)備的驅(qū)動電源采用線性純正弦波電源時，在探測元件無輸入信號時，在放大器輸出端最大探測信號電壓峰峰值僅為4.4mV。而具有隨機性質(zhì)的噪聲電壓，其峰峰值最大為3.0mV。說明原來的干擾信號已被極大地消除。    從該項工作中，使我們體會到電磁干擾的嚴(yán)重性，對電磁干擾的認(rèn)識僅停留在一般的水平上、泛泛地、全面地采取各種抗干擾措施也不一定見效，必須抓住主要矛盾。

    再舉一例，某電子設(shè)備，當(dāng)打開電源開關(guān)時，其測量顯示呈紊亂狀態(tài)。究其原因，正是在電源開關(guān)時刻，電路由一種穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種穩(wěn)態(tài)的過渡過程中，所出現(xiàn)的過電壓、過電流所致。為此，采用一定容量和電壓的氧化鋅壓敏電阻并聯(lián)在電源上，便收到了較好的效果。這也說明對電磁干擾源有明確認(rèn)識時，才能有的放矢地采取抗干擾措施，效果明顯。

4.2  對電磁干擾可能的傳播路徑要有清楚了解

    在核聚變科學(xué)研究中，將巨大的微波能耦合到等離子體中去，以提高核聚變物理參數(shù)。為此，需要高能大功率發(fā)射系統(tǒng)。其主電源脈沖電壓達(dá)20kV，最大脈沖寬度30ms，最高脈沖功率2400kW。該電源通過電感儲能，直流開斷，脈沖整形等一系列環(huán)節(jié)，由微機控制來實現(xiàn)。

    調(diào)試過程中，當(dāng)電壓達(dá)數(shù)kV時，系統(tǒng)便無法正常運行。輕則控制程序出錯，重則程序全部被沖掉，更嚴(yán)重時微機芯片被燒損。由于對電磁干擾認(rèn)識膚淺，盲目地采取各種措施，如重新布線，改善接地，增加電磁屏蔽和隔離等等，忙了幾個月均不能根本解決問題，挫折迫使我們冷靜了下來。在進行了科學(xué)分析后，認(rèn)定必須要對幅度高達(dá)數(shù)kV，前后沿很陡的這一電磁干擾源有清楚了解，并對其可能傳播的路徑采取加強隔離措施。在對光電隔離器采用雙重設(shè)計后，微機能穩(wěn)定、可靠地工作了。

    再舉一例，在激光電源低功率調(diào)試中發(fā)現(xiàn)應(yīng)交替導(dǎo)通的兩個逆變開關(guān)IGBT的觸發(fā)信號存在重迭現(xiàn)象，即有互相干擾。如果不消除這種干擾，可能發(fā)生主電路直通故障?；谝郧胺e累的對電磁干擾可能的傳播路徑要有明確認(rèn)識的工作經(jīng)驗，我們從逆變開關(guān)IGBT的觸發(fā)端倒推，一級一級地檢測觸發(fā)信號，直到產(chǎn)生觸發(fā)信號的TL494集成電路的兩個輸出端，發(fā)現(xiàn)這兩個輸出端的引線距離很近，且平行布線很遠(yuǎn)。通過分析表明，這種情況容易產(chǎn)生電容性耦合干擾，干擾的強弱與工作頻率及兩條引線之間的分布電容量有關(guān)。當(dāng)我們將其中一條引線切斷，用一條拉開很遠(yuǎn)距離的臨時導(dǎo)線代用后，兩個逆變開關(guān)IGBT的觸發(fā)信號不再發(fā)生重迭現(xiàn)象了。

    從該項工作中，使我們體會到對電磁干擾可能傳播的路徑有明確的認(rèn)識，才能順利地排除電磁干擾。否則將無從下手解決存在的電磁干擾問題。

4.3  對易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件要進行重點保護

    還是上述的第一個例子中，某探測設(shè)備在探測元件無輸入信號時放大器輸出端的干擾信號遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最小探測信號電壓值，致使整個設(shè)備無法正常工作。

    經(jīng)過認(rèn)真分析和實際測試，除了對電磁干擾源缺乏明確的認(rèn)識和電磁干擾可能傳播的路徑缺乏清楚了解外，對易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件也缺乏重點保護。為此對易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件——傳感器輸入電路和前級放大電路主要采取兩項電磁兼容性措施：

    1）信號接地信號接地的主要目的是為了抑制電磁干擾，應(yīng)當(dāng)特別注意低電平電路、信號檢測電路、傳感器輸入電路和前級放大電路的接地。

    該探測設(shè)備的傳感器輸入電路、前級放大電路和末級放大電路的接地應(yīng)該只設(shè)一個接地點，因為多個接地點會引入共地阻抗的干擾。而這個接地點的位置應(yīng)當(dāng)選擇在保證地線中的電流流向為從小信號電路流向大信號電路，從而避免大信號電路的地線電流對小信號電路產(chǎn)生干擾。

    2）屏蔽加強該探測設(shè)備的傳感器輸入電路和前級放大電路電磁屏蔽，并注意屏蔽的完整性和良好的接地措施。

    電磁屏蔽設(shè)計時，一般采用電導(dǎo)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的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場的干擾，又因屏蔽體接地而實現(xiàn)電場屏蔽。屏蔽體的厚度不必過大，應(yīng)以趨膚深度和結(jié)構(gòu)強度為主要考慮因素。另外要注意屏蔽的完整性，如果屏蔽體不完整，將導(dǎo)致電磁場泄漏。

5  電磁兼容的設(shè)計方法

5.1  對電磁干擾源的設(shè)計方法

    電磁干擾源的種類相當(dāng)繁多，比如，自然的電磁干擾源包括：地球表面的最大磁場強度為52A/m、平均電場強度為130V/m，雷電的大氣干擾，靜電的電暈放電和宇宙噪聲等等。人為的電磁干擾源包括：含有整流子的直流電機換向時產(chǎn)生的電弧和電流變化、電器開關(guān)動作時產(chǎn)生的電弧和電流變化，非線性元器件工作時產(chǎn)生的諧波，高頻振蕩器和無線電發(fā)送設(shè)備的電磁輻射，汽車點火系統(tǒng)，醫(yī)療用的超聲波發(fā)生器，生活用的微波爐以及電磁脈沖等等?？梢哉f電磁干擾源無處不在，下面僅討論與我們相關(guān)的主要電磁干擾源。

5.1.1  供電電源

    供電電源，常由于負(fù)載的通斷過渡過程、半導(dǎo)體元器件的非線性，脈沖設(shè)備及雷電的耦合等因素，而成為電磁干擾源。

    供電電源電磁兼容的設(shè)計方法為

    1）采用交流電源濾波器

    由于交流電源濾波器是低通濾波器，不妨礙工頻電能的通過，而對高頻電磁干擾呈高阻態(tài)，有較強的抑制能力。使用交流電源濾波器時，應(yīng)根據(jù)其兩端阻抗和要求的插入衰減系數(shù)選擇濾波器的型式。要注意其承受電壓和導(dǎo)通電流的能力，屏蔽與機殼要電氣接觸良好，地線要盡量短、截面足夠大，進出線要遠(yuǎn)離，而且濾波器應(yīng)盡量靠近供電電源。

    2）交流電源變壓器加靜電屏蔽

    由于電源變壓器初、次級間存在分布電容，進入電源變壓器初級的高頻干擾能通過分布電容耦合到電源變壓器的次級。在電源變壓器初、次級間增加靜電屏蔽后，該屏蔽與繞組間形成新的分布電容。將屏蔽接地，可以將高頻干擾通過這一新的分布電容引入地，從而起到抗電磁干擾的作用。靜電屏蔽應(yīng)選擇導(dǎo)電性好的材料，且首尾端不可閉合，以免造成短路。

    3）脈沖電壓的吸收

    對脈沖電壓的電磁干擾可以采用壓敏電阻、固體放電管或瞬態(tài)電壓抑制二極管來吸收。當(dāng)脈沖電壓吸收器件承受一個高能量的瞬態(tài)過電壓脈沖時，其工作阻抗能立即降到很低，允許通過很大的電流，吸收很大的功率，從而將電壓箝制在允許的水平內(nèi)。

    壓敏電阻或固體放電管可應(yīng)用于直流或交流電路。單向瞬態(tài)電壓抑制二極管應(yīng)用于直流電路，而雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管應(yīng)用于交流電路。使用脈沖電壓的吸收器件時，應(yīng)選擇其額定電壓略高于設(shè)備的最大工作電壓，以保證無脈沖電壓時，吸收器件的功耗最少；當(dāng)有脈沖電壓時，其箝位的電壓應(yīng)低于設(shè)備的最高絕緣電壓，以保證設(shè)備的安全；其通流能力應(yīng)大于脈沖電壓所產(chǎn)生的電流。

    4）直流電源的電磁兼容措施

    ——整流電路的高頻濾波即在整流管上并聯(lián)小電容（0.01μF）進一步濾掉從變壓器進入的高頻干擾。

    ——直流退耦即在直流電源和地之間并聯(lián)2個電容，大電容（10～100μF）濾掉低頻干擾，小電容（0.01～0.22μF）濾掉高頻干擾。

    5）電源的其它電磁兼容措施

    ——控制電路和功率電路采用分相供電或采用不同的電源供電；

    ——采用UPS（不間斷電源）供電；

    ——采用電源電壓監(jiān)視集成電路。

5.1.2  暫態(tài)過程

    暫態(tài)過程是由于電路機械觸點的分合，負(fù)載的通斷和電路的快速切換等導(dǎo)致電路電壓或電流發(fā)生快速變化，而成為電磁干擾源。

    暫態(tài)過程的電磁兼容設(shè)計方法為

    1）電路機械觸點的熄火花電路

    電路機械觸點的熄火花電路由電阻（R）和電容（C）串聯(lián)組成。其原理是用電容轉(zhuǎn)換觸點分?jǐn)鄷r負(fù)載電感（L）上的能量，從而避免在觸點上產(chǎn)生過電壓和電弧造成的電磁干擾，最終由電阻吸收這部分能量。

    電路參數(shù)計算如下：

    R>2（L/C）1/2    （Ω）    （1）

    C1=4L/R2          （μF）   （2）

    C2=（Im/300）2L  （μF）   （3）

式中：R為電阻（Ω）；

      L為負(fù)載電感（μH）；

      Im為負(fù)載電感中的最大電流（A）；

      C取C1、C2中大者。 [!--empirenews.page--]
 2）電感負(fù)載的續(xù)流電路和吸收電路

    直流電路電感負(fù)載的續(xù)流電路是用二極管反并聯(lián)在電感負(fù)載上。當(dāng)切斷電感負(fù)載時，其上的電流經(jīng)二極管續(xù)流，不會產(chǎn)生過電壓而危及電路上的其它器件。

    參數(shù)選擇如下：

    IF>2IN     (4)

    VRRM>2VN   (5)

式中：IF為二極管正向平均電流；

      VRRM為二極管反向重復(fù)峰值電壓；

      IN為電感負(fù)載的額定電流；

      VN為電感負(fù)載的額定電壓。

    如果用壓敏電阻代替二極管，其效果會更好。因為壓敏電阻吸收能量更快，從而減小了動作響應(yīng)時間。另外，壓敏電阻還可應(yīng)用在交流電路電感負(fù)載的場合。應(yīng)用壓敏電阻時應(yīng)當(dāng)注意以下幾點：

    ——壓敏電阻的標(biāo)稱電壓；

    ——壓敏電阻的壓比；

    ——壓敏電阻的吸收能量能力；

    ——壓敏電阻的前沿響應(yīng)時間；

    ——壓敏電阻應(yīng)當(dāng)盡量緊靠電感使用。

    3）電容負(fù)載的限流電路

    電容負(fù)載的限流電路由電阻（R）和開關(guān)并聯(lián)組成。其原理是用電阻限制電容負(fù)載開始投入時的短路電流，從而避免短路電流造成的電磁干擾。經(jīng)過時間（t）將開關(guān)閉合，切除限流電阻。

    參數(shù)選擇如下：

    R>2VN/IN     （6）

    t>3RC       （7）

式中：IN為負(fù)載的額定電流；

      VN為電源的額定電壓；

      C為負(fù)載的電容。

    4）電路快速切換的電磁兼容措施

    電路快速切換（包括晶閘管換流、直流斬波、二極管關(guān)斷時的電荷存儲效應(yīng)等）將導(dǎo)致電壓或電流的快速變化，而成為電磁干擾源。

    對此可采用如下電磁兼容措施

    ——串聯(lián)緩沖電感，以降低電流變化率；

    ——并聯(lián)緩沖電容，以降低電壓變化率；

    ——用電感電容諧振電路代替直流斬波，以降低電流變化率或電壓變化率。

5.1.3  電磁輻射

    電磁輻射包括電子設(shè)備內(nèi)部和外部兩種電磁輻射源。其實任一電流的周圍都存在磁場，而變化的磁場會產(chǎn)生變化的電場，這種電磁場就是電磁干擾源。

    電子設(shè)備中主要的電磁輻射源是大電流、高電壓的強功率電路和器件，電壓或電流快速變化的電路和器件以及高頻電路和器件。

    對電磁輻射的電磁兼容設(shè)計是，采用電磁屏蔽的方法，即用屏蔽材料將電磁輻射源封閉起來，使其外部電磁場強低于允許值。

    電磁屏蔽的技術(shù)原理主要有兩種：

    一是反射，由于空氣和金屬屏蔽的電磁阻抗不同，使入射電磁電波產(chǎn)生反射作用。磁場中的反射損耗R(dB)，對磁場源而言

    R=20log10{[0.012(μr/fσr)1/2/D]＋5.364D(fσr/μr)1/2＋0.354}  （8）

式中：μr為相對磁導(dǎo)率；

           σr為相對電導(dǎo)率；

     f為電磁波頻率（Hz）；

     D為輻射源到屏蔽體的距離（m）。

對電場源而言

      R=322＋10log10(σr/μrf3D2)  （9）

    二是吸收，進入金屬屏蔽內(nèi)的電磁波在金屬屏蔽內(nèi)傳播時，由于衰減而產(chǎn)生吸收作用。吸收損耗A(dB)為

        A=0.131d(μrfσr)1/2    （10）

式中：d為屏蔽材料厚度（mm）。

    1）磁場屏蔽一般采用磁導(dǎo)率高的材料作屏蔽體，它給低頻磁通提供一個閉合回路，并使其限制在屏蔽體內(nèi)。屏蔽體的磁導(dǎo)率越高，厚度越大，磁阻越小，磁場屏蔽的效果越好。當(dāng)然屏蔽的設(shè)計要與設(shè)備的重量相協(xié)調(diào)。在雜散耦合可能引起有害作用的電路中，應(yīng)選用帶有屏蔽的電感器和繼電器，并將屏蔽有效地接地。

    2）電場屏蔽一般采用電導(dǎo)率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地，使電力線在此終止，因而電場不會泄漏到屏蔽體外部。電場屏蔽以反射為主，因此屏蔽體的厚度不必過大，而以結(jié)構(gòu)強度為主要考慮因素。

    3）電磁場屏蔽一般采用電導(dǎo)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的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場的干擾，又因屏蔽體接地而實現(xiàn)電場屏蔽。屏蔽體的厚度不必過大，而以趨膚深度和結(jié)構(gòu)強度為主要考慮因素。

    應(yīng)當(dāng)特別注意電磁屏蔽的完整性，特別是電磁場屏蔽，因為它是利用屏蔽體在高頻磁場的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場干擾的。如果屏蔽體不完整，則渦流的效果降低，導(dǎo)致電磁場泄漏，屏蔽的效果將大打折扣。

5.1.4  雷電

    雷電是帶電云對地或帶電云之間的放電現(xiàn)象。帶電云對地放電為直接雷擊，而非直接雷擊時設(shè)備所受到的干擾為感應(yīng)雷擊。由于雷電具有非常大的能量和非常短的持續(xù)時間，因此雷電是非常強的干擾源。

    雷電的電磁兼容的設(shè)計方法是

    1）對直接雷擊采用的設(shè)計方法采用接閃器、避雷引線和避雷接地組成的避雷系統(tǒng)。將直接雷擊的能量引入大地，以保護電子設(shè)備。

    2）對感應(yīng)雷擊采用的設(shè)計方法采用氣體避雷管、壓敏電阻、電壓瞬變吸收二極管或固體放電管。利用其非線性特性，對感應(yīng)雷擊的高電壓尖峰削波和能量吸收，以保護電子設(shè)備。

5.1.5  靜電

    當(dāng)不同介質(zhì)的材料相互摩擦?xí)r，會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生靜電。當(dāng)然靜電也可能以其它的方式產(chǎn)生，比如受到其它帶電體的感應(yīng)。靜電場強的高低取決于材料所攜帶的電荷量多少和對地電容的大小。當(dāng)這種材料對電子設(shè)備的場強超過絕緣介質(zhì)的擊穿強度時，會發(fā)生電暈放電或火花放電，形成靜電干擾，可能導(dǎo)致電子設(shè)備損壞。

    防靜電的電磁兼容的設(shè)計方法是

    ——防止靜電的產(chǎn)生，例如阻止靜電荷的積累、泄放積累的靜電荷，采用防靜電地板和靜電消除器等等。

    ——采用靜電屏蔽和接地措施，將靜電產(chǎn)生的電荷引走。

    ——采用耐靜電電壓值高的器件。

    ——采用靜電保護措施，例如增加串聯(lián)電阻以降低靜電放電電流，增加并聯(lián)元件以把靜電放電電流引走，對靜電作用下易損器件的操作防護和軟件的靜電防護等等。

5.1.6  無線電發(fā)射源

    無線電發(fā)射機的頻率范圍為103～1012Hz。

    無線電發(fā)射機的有效輻射功率（ERP）很高。例如，軍用雷達(dá)10GW，氣象雷達(dá)1GW，船用雷達(dá)100MW，電視廣播50MW，商用電臺300kW，廣播電臺100kW，業(yè)余通訊1kW，車用通訊100W。

    因此，無線電發(fā)射源對電子設(shè)備是一很強的干擾源。

    對無線電發(fā)射源的電磁兼容的設(shè)計方法是

    ——嚴(yán)格控制無線電發(fā)射的方位角度，以減少無線電發(fā)射源干擾的空間范圍。

    ——采用完整的電磁屏蔽和可靠的接地措施，以減少無線電發(fā)射源的泄漏干擾。 [!--empirenews.page--]

5.2  對電磁干擾可能傳播的路徑的設(shè)計方法

5.2.1  電路性耦合

    當(dāng)兩個電路存在公共阻抗時，一個電路的電參數(shù)通過公共阻抗對另一個電路的電參數(shù)產(chǎn)生了影響。而這種影響造成誤動作時，即為通過電路性耦合的路徑產(chǎn)生的電磁干擾。公共阻抗主要有共回路導(dǎo)線、共地阻抗和共電源內(nèi)阻。

    電路性耦合的電磁兼容設(shè)計方法是

    1）對共電源內(nèi)阻產(chǎn)生的電磁干擾，可以用不同的電源分別供電的方法，以去除共電源內(nèi)阻產(chǎn)生的電路性耦合。

    2）對共回路導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁干擾，可以用對導(dǎo)線阻抗加以限制或去耦的方法，以減低共回路導(dǎo)線產(chǎn)生的電路性耦合。共回路導(dǎo)線的阻抗包括電阻和電感。

    ——限制電阻的方法增大共回路導(dǎo)線的截面、減小共回路導(dǎo)線的長度和降低接觸電阻；

    ——限制電感的方法減小共回路導(dǎo)線的長度和來回線的距離；

    ——電路去耦的方法去掉共回路導(dǎo)線，而將不同的回路僅在一點連接。

    3）對共地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾，可以用降低共地阻抗的方法，以去除共地阻抗產(chǎn)生的電路性耦合。

    ——接地的種類和作用

    電子設(shè)備一般有兩種接地。一種是安全接地，即將機殼接地，當(dāng)機殼帶電時，電源的保護動作，切斷電源，以保護工作人員的安全；另一種是工作接地，給電路系統(tǒng)提供一個基準(zhǔn)電位，同時也可將高頻干擾引走。但是，不正確的工作接地反而會增加干擾，比如共地線干擾，地環(huán)路干擾等等。

    工作接地按工作頻率采用不同的接地方式。工作頻率低的（小于1MHz）采用單點接地式，即把整個電路系統(tǒng)中的一個結(jié)構(gòu)點看作接地參考點，所有對地連接都接到這一點上，并設(shè)置一個安全接地螺栓；工作頻率高的（大于30MHz）采用多點接地式，即在該電路系統(tǒng)里，用一塊接地平板代替電路中每部分各自的地回路。其主要原因是接地引線的感抗與頻率和長度成正比，工作頻率高時將增加共地阻抗，從而將增大共地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾。工作頻率在上述兩者之間的可采用混合接地式。

    此外，還有一種浮地式，即該電路的地與大地?zé)o導(dǎo)體連接。其優(yōu)點是該電路不受大地電性能的影響。其缺點是該電路易受寄生電容的影響，而使該電路的地電位變動和增加了對模擬電路的感應(yīng)干擾。

    ——對接地電阻的要求

    接地電阻越小越好。因為當(dāng)有電流流過接地電阻時，其上產(chǎn)生的電壓，將產(chǎn)生共地阻抗的電磁干擾。另外，該電壓不僅使設(shè)備受到反擊過電壓的影響，而且使操作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三種：

    一是降低接地線電阻，為此要用總截面大和長度小的多股細(xì)導(dǎo)線。

    二是降低接觸電阻，為此要將接地線與接地螺栓和接地極作緊密又牢靠地連接，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電導(dǎo)率（如在土壤中注入鹽水）。

    ——低頻電路地

    工作頻率低于1MHz的一個電路采用單點接地式，以防兩點接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合。多個電路的單點接地式又分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種，由于串聯(lián)接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合，所以低頻電路最好采用并聯(lián)的單點接地式。

    為防止工頻和其它雜散電流在信號地線上產(chǎn)生干擾，信號地線應(yīng)與功率地線和機殼地線相絕緣。且只在功率地、機殼地和接往大地的接地線的安全接地螺栓上相連（浮地式除外）。

    地線的長度（L/m）與截面積（S/mm2）的關(guān)系為

       S>0.83L    （11）

    ——高頻電路地

    工作頻率高于30MHz的電路采用多點接地式。因為接地引線感抗與頻率和長度成正比，所以地線的長度要盡量短。多點接地時，盡量找最接近的低阻值接地面接地。

    ——混合接地式

    工作頻率介于1～30MHz的電路采用混合接地式。當(dāng)接地線的長度小于工作信號波長的1/20時，采用單點接地式，否則采用多點接地式。

    ——屏蔽地

    電路的屏蔽體，即用屏蔽材料將電磁輻射源屏蔽起來，并將屏蔽體接地，以降低電磁輻射的干擾。屏蔽體內(nèi)的電路地線只能一點接屏蔽體，而不得利用屏蔽體作返回導(dǎo)體。

    ——電纜的屏蔽層

    對于多層屏蔽電纜，每個屏蔽層應(yīng)在一點接地，各屏蔽層應(yīng)相互絕緣。

    當(dāng)電纜長度大于工作信號波長的0.15倍時，采用間隔工作信號波長的0.15倍的多點接地式。如果不能實現(xiàn)，則至少應(yīng)將屏蔽層兩端接地。

    4）電位隔離

    電位隔離分為機械、電磁、光電和浮地幾種隔離方式，其實質(zhì)是人為地造成電的隔離，以阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。

    ——機械隔離采用繼電器來實現(xiàn)其線圈接收信號，機械觸點發(fā)送信號。機械觸點分?jǐn)鄷r，由于阻抗很大、電容很小，從而阻止了電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。缺點是線圈工作頻率低，不適合于工作頻率較高的場合使用。而且存在觸點通斷時的彈跳和干擾以及接觸電阻等。

    ——電磁隔離采用變壓器來實現(xiàn)通過變壓器傳遞電信號，阻止了電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。對于交流的場合使用較為方便，由于變壓器繞組間分布電容較大，所以使用時應(yīng)當(dāng)與屏蔽和接地相配合。

    ——光電隔離采用光電耦合器來實現(xiàn)通過半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的光發(fā)射和光敏半導(dǎo)體（光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等）的光接收，來實現(xiàn)信號的傳遞。光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器輸入端的干擾電壓較小，而且一般干擾源的內(nèi)阻較大，它所能提供的電流并不大，因此不能使發(fā)光二極管發(fā)光。光電耦合器的外殼是密封的，它不受外部光的影響。光電耦合器的隔離電阻很大（約1012Ω），隔離電容很小（約數(shù)pF）能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。只是光電耦合器的隔離阻抗隨著頻率的提高而降低，抗干擾效果也將降低。

    ——浮地浮地可使功率地（強電地）和信號地（弱電地）之間的隔離電阻很大，所以能阻止共地阻抗電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。

5.2.2  電容性耦合

    任何兩個導(dǎo)體之間都存在著電容。電容值與介質(zhì)的介電常數(shù)ε和兩個導(dǎo)體的有效面積成正比、與兩個導(dǎo)體之間的距離D成反比。當(dāng)兩個平行圓導(dǎo)體直徑為d時，其電容C為

    C=πε/ln(D/d)    （12）

    當(dāng)一個導(dǎo)體對地具有電位U1，阻抗Z1，另一個導(dǎo)體對地具有阻抗Z2，兩個導(dǎo)體具有相同地電位，通過兩個導(dǎo)體之間的電容，在另一個導(dǎo)體上將產(chǎn)生干擾電壓U2為

    U2=U1Z2/（Z1＋Z2＋1/jωC）     （13）

    當(dāng)阻抗Z1和阻抗Z2中含有電感分量時，產(chǎn)生的干擾電壓U2有可能大于導(dǎo)體1對地的電位U1。

    電容性耦合的等值電路圖見圖1。

圖 1  電 容 性 耦 合 的 等 值 電 路 圖

    在上述分析中，兩導(dǎo)線間的有效耦合長度應(yīng)遠(yuǎn)小于信號波長（一般為1/10）時，才允許使用集中參數(shù)的等效電路來分析線間耦合，否則必須應(yīng)用電磁場理論的傳輸方程來分析線間耦合。

    電容性耦合的電磁兼容設(shè)計方法是

    1）盡可能減小干擾源U1的幅值和干擾源的變化速度ω。

    2）Z1和Z2設(shè)計得盡可能大，且Z1遠(yuǎn)大于Z2。

    3）耦合電容設(shè)計得盡可能小

    ——盡量加大兩個導(dǎo)體間的距離；

    ——盡量縮短兩個導(dǎo)體的長度；

    ——盡量避免兩個導(dǎo)體平行走線。

    4）屏蔽

    屏蔽的目的切斷干擾源和被干擾對象之間的電力線，以免除電容性耦合的電磁干擾。

    屏蔽的方法采用與干擾源基準(zhǔn)電位相連的屏蔽；采用與被干擾對象基準(zhǔn)電位相連的屏蔽；或者上述兩者都用，其效果更好。

    屏蔽的注意事項

    ——要有完整的屏蔽，否則屏蔽的效果降低；

    ——要用導(dǎo)電性能好的材料作屏蔽，否則屏蔽的效果降低；

    ——要有良好的屏蔽接地，否則屏蔽的效果降低。當(dāng)導(dǎo)線的長度小于工作信號波長的1/20時，采用單點接地式，否則采用多點接地式。接地線的長度要盡量短。

    5）平衡

    平衡的目的當(dāng)干擾源和被干擾對象的基準(zhǔn)電位是互相獨立時，可以采用平衡的方法，即使干擾源和被干擾對象的耦合電容平衡，以免除電容性耦合的電磁干擾。

    平衡的方法

    ——干擾源和被干擾對象均采用絞合導(dǎo)線；

    ——采用四芯導(dǎo)線，使干擾源和被干擾對象的導(dǎo)線交叉對稱。

5.2.3  電感性耦合

    任何兩個回路之間都存在著互感?；ジ兄蹬c介質(zhì)的磁導(dǎo)率μ成正比，并與兩個回路的幾何尺寸有關(guān)。兩個回路的布局如圖2所示。

圖2  兩 個 回 路 的 布 局 圖

    圖中1～1為第一個回路，2～2為第二個回路，a、b、c、d為回路的間距。另外設(shè)l為回路的長度。

兩個回路的互感M為

        M=μlln（ac/bd）/2π     （14）

    當(dāng)?shù)谝粋€回路具有電流i1，通過兩個回路之間的互感M，在第二個回路上產(chǎn)生的干擾電壓u2為

       u2=Mdi1/dt      （15）

    電感性耦合的電磁兼容設(shè)計方法是

    1）盡可能減小干擾源電流i1的變化速度。

    2）盡可能設(shè)計得使兩個回路的互感M小，為此

    ——盡量加大兩個回路間的距離；

    ——盡量縮短兩個回路的長度；

    ——盡量避免兩個回路平行走線；

    ——盡量縮小兩個回路的面積，并減低重合度。

    3）屏蔽

    屏蔽的目的切斷干擾源和被干擾對象之間的磁力線，以免除電感性耦合的電磁干擾。

    屏蔽的方法采用鐵磁性導(dǎo)體的靜態(tài)磁屏蔽，采用良導(dǎo)體感應(yīng)渦流的動態(tài)磁屏蔽。 [!--empirenews.page--]
屏蔽的注意事項

    ——鐵磁性導(dǎo)體的靜態(tài)磁屏蔽適用于低頻磁場。屏蔽的效果與屏蔽材料的相對磁導(dǎo)率μr、厚度d、幾何形狀以及磁場方向有關(guān)。例如橫向磁場中的圓球的屏蔽系數(shù)as為

      as=20lg（1＋μrd/2r）      （16）

式中：r為圓球的內(nèi)徑

    ——良導(dǎo)體感應(yīng)渦流的動態(tài)磁屏蔽適用于高頻磁場。屏蔽的效果與屏蔽材料的性質(zhì)，幾何形狀，屏蔽的密閉程度以及磁場的頻率有關(guān)。屏蔽系數(shù)ad可用式（17）進行近似計算

         ad=20lg（μof/2Zk）         （17）

式中：μo為真空導(dǎo)磁率；

     f為磁場的頻率；

     Zk為耦合阻抗。

    ——網(wǎng)孔狀的屏蔽系數(shù)與孔的面積占總面積的比例有關(guān)。

    4）平衡

    平衡的目的采用平衡的方法，可以減小或免除電感性耦合的電磁干擾。

    平衡的方法

    ——磁場去耦即使被干擾回路耦合的干擾源磁場最少。例如安排兩個回路垂直放置，可達(dá)到磁場去耦的目的。

    ——磁場抵消因為干擾磁場引起的感應(yīng)電流在相鄰絞線回路的同一根導(dǎo)線上方向相反，相互抵銷。為對磁場干擾取得較好的抑制效果，屏蔽雙絞線的節(jié)距不可太大，即單位長度絞合數(shù)越多，磁場抵消效果越好。

5.2.4  幅射性耦合

    幅射性耦合是電磁場通過空間耦合到被干擾對象的。如被干擾對象是兩根導(dǎo)線，它就是接收電場的天線。天線的等值電路圖見圖3。

圖 3  天 線 的 等 值 電 路 圖

    等值電壓源U（即接收的干擾電壓）為

        U=Eh       (18)

式中：E為電場強度；

      h為天線有效高度。

    內(nèi)阻R為

     R=1580（h/λ）2     (19)

式中：λ為電磁場波長。

    如被干擾對象是一環(huán)線，通過環(huán)線面積S的磁場將產(chǎn)生干擾電壓U為

        U=BdS/dt     （20）

式中：B為磁感應(yīng)強度。

    幅射性耦合的電磁兼容設(shè)計方法是

    1）采用空間分離的方法即把相互容易干擾的設(shè)備和導(dǎo)線盡量安排得遠(yuǎn)一些，并調(diào)整電磁場矢量方向，使接收設(shè)備耦合的干擾電磁場最低。

    2）采用時間分離的方法即使產(chǎn)生輻射的設(shè)備和易接收輻射的設(shè)備在不同的時間工作。

    3）采用頻率分離的方法即使產(chǎn)生輻射的設(shè)備和易接收輻射的設(shè)備的工作頻率不同。

    4）采用屏蔽的措施即用屏蔽材料將被干擾對象封閉起來，使其內(nèi)部電磁場強低于允許值的一種措施。屏蔽的效果用屏蔽系數(shù)來衡量。

    5）減小天線有效高度。

    6）減少環(huán)線面積。

5.3  對易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件的設(shè)計方法

    通常用敏感度來描述敏感設(shè)備對電磁干擾響應(yīng)的程度。敏感度越高，表示對干擾作用響應(yīng)的可能性越大，即抗電磁干擾的能力越差。因此，一般認(rèn)為電子設(shè)備的敏感度主要取決于它的靈敏度和頻帶寬度。電子設(shè)備主要由模擬電路和數(shù)字電路組成。

5.3.1  模擬電路

    模擬電路的電磁兼容設(shè)計方法是

    1）優(yōu)選電路

    例如，設(shè)計低噪聲電路，減少帶寬，抑制干擾傳輸；平衡輸入，抑制干擾；選用高質(zhì)量電源等。

    2）采用如下幾種信號濾波器

    ——低通濾波器

    當(dāng)干擾信號的頻帶高于有用信號的頻帶比較遠(yuǎn)時，可采用低通濾波器來濾除干擾信號。

    RC低通濾波器的信噪比σL為

         σL={1＋[SRL/(R＋RL)]2}1/2        (21)

式中：S=2πfRC；

      f為信號的頻率（Hz）；

      R為濾波器的電阻（Ω）；

      RL為負(fù)載的電阻（Ω）；

     C為濾波器的電容（F）。

    ——高通濾波器

    當(dāng)干擾信號的頻帶低于有用信號的頻帶比較遠(yuǎn)時，可采用高通濾波器來濾除干擾信號。

    RC高通濾波器的信噪比σG為

         σG=[S2/(1＋S2)]1/2     （22）

式中：S=2πfRC；

      f為信號的頻率（Hz）；

      R為濾波器的電阻（Ω）；

      C為濾波器的電容（F）。

    ——LC濾波器

    當(dāng)干擾信號的頻帶雖高于、但接近于有用信號的頻帶時，可采用LC濾波器來濾除干擾信號。

    LC濾波器的信噪比σY為（當(dāng)L=CRL2時）

     σY=[（1－ω2LC）2＋(ωL/RL)2]1/2      （22）

式中：ω=2πf；

     f為信號的頻率（Hz）；

      RL為負(fù)載的電阻（Ω）；

      C為濾波器的電容（F）；

      L為濾波器的電感(H)。

    ——選通濾波器

    當(dāng)干擾信號的頻帶為不連續(xù)時，可采用選通濾波器來濾除干擾信號。

    針對不同干擾信號的頻帶和負(fù)載，可以應(yīng)用LC選通濾波器或RC選通濾波器。其中LC選通濾波器分并聯(lián)諧振式和串聯(lián)諧振式兩種型式。

5.3.2  數(shù)字電路

    數(shù)字電路的電磁兼容設(shè)計方法是

    1）在工作指標(biāo)許可的條件下，采用直流噪聲容限高的數(shù)字電路。例如，CMOS數(shù)字電路的直流噪聲容限遠(yuǎn)高于TTL數(shù)字電路的直流噪聲容限。

    2）在工作指標(biāo)許可的條件下，采用開關(guān)速度低的數(shù)字電路。因為開關(guān)速度越高，由它引起的電壓或電流的變化越快，就越容易產(chǎn)生電路間的耦合干擾。

    3）提高門檻電壓，可以利用在電路前設(shè)置分壓器或穩(wěn)壓管的方法來提高門檻電壓。

    4）懸空長線具有天線效應(yīng)，易于接收電磁波而產(chǎn)生干擾，為此可用RC網(wǎng)絡(luò)加以吸收，或作不懸空處理。

    5）采用負(fù)載阻抗匹配的措施，即使負(fù)載阻抗等于信號線的波阻抗，這樣一來將會消除數(shù)字信號在傳輸過程中，由于折射和反射的作用而產(chǎn)生的畸變。比如，在測量一個方波時，如果阻抗不匹配，示波器顯示的將不是一個方波，而是一種多次振蕩的波形，其原因除了波形失真外，還由于方波信號的多次折射和反射。

6  結(jié)語

    為了使電子設(shè)備可靠地運行，必須深入研究電磁兼容技術(shù)。本文用具體實例說明了電磁兼容的重要性和一些設(shè)計方法。特別注重要對電磁干擾源有明確認(rèn)識，對電磁干擾引入路徑有清楚了解，對電磁干擾敏感的接收電路進行重點保護。