電磁兼容基礎(chǔ)知識(shí)全面詳解

什么是電磁兼容

電磁兼容性(EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值;另一方面是指器具對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

電磁干擾源種類(lèi)

電磁干擾源種類(lèi)繁多，可按不同的方法進(jìn)行分類(lèi)。對(duì)測(cè)量環(huán)境中直接影響測(cè)量及測(cè)量設(shè)備的干擾來(lái)源可分為自然干擾源和人為干擾源。

自然干擾源包括：

(1)大氣噪聲干擾：如雷電產(chǎn)生的火花放電、屬于脈沖寬帶干擾，其覆蓋從數(shù)Hz到100MHz以上.傳播的距離相當(dāng)遠(yuǎn)。

(2)太陽(yáng)噪聲干擾：指太陽(yáng)黑子的輻射噪聲。在太陽(yáng)黑子活動(dòng)期.黑子的爆發(fā).可產(chǎn)生比平穩(wěn)期高數(shù)千倍的強(qiáng)烈噪聲.致使通信中斷。

(3)寧宙噪聲：指來(lái)自宇宙天體的噪聲。

(4)靜電放電：人體、設(shè)備上所積累的靜電電壓可高達(dá)幾萬(wàn)伏直到幾十萬(wàn)伙.常以電暈或火花方式放掉，稱(chēng)為靜電放電。靜電放電產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬間電流和電磁脈沖，會(huì)導(dǎo)致靜電敏感器件及設(shè)備的損壞。靜電放電屬脈沖寬帶干擾、頻譜成分從直流一直連續(xù)劍中頻頻段。

人為干擾源指而電氣電子設(shè)備和其他人工裝置產(chǎn)生的電磁干擾。這里所說(shuō)的人為干擾源都是指無(wú)意識(shí)的干擾。至于為了達(dá)到某種目的而有意施放的干擾，如電子對(duì)抗等不屬于本文討論范圍。

任何電子電氣設(shè)備都可能產(chǎn)生人為干擾。在此，只是提到一些常見(jiàn)的干擾測(cè)量環(huán)境的干擾源。

(1)無(wú)線(xiàn)電發(fā)射設(shè)備：包括移動(dòng)通信系統(tǒng)、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航及無(wú)線(xiàn)電接力通信系統(tǒng).如微波接力，衛(wèi)星通信等。因發(fā)射的功率大，其基波信號(hào)可產(chǎn)生功能性干擾;諧波及亂真發(fā)射構(gòu)成非功能性的無(wú)用信號(hào)干擾。

(2)工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療(ISM)設(shè)備：如感應(yīng)加熱設(shè)備、高頻電焊機(jī)、X光機(jī)、高頻理療設(shè)備等.強(qiáng)大的輸出功率除通過(guò)空間輻射干擾外，還通過(guò)工頻電力網(wǎng)干擾遠(yuǎn)方的設(shè)備。

(3)電力設(shè)備：包括伺服電機(jī)、電鉆、繼電器、電梯等設(shè)備通、斷產(chǎn)生的電流劇變及伴隨的電火花成為干擾源：電力系統(tǒng)中的非線(xiàn)性負(fù)載(如電弧爐等)、間斷電源(UPS)等同態(tài)電源轉(zhuǎn)換設(shè)備產(chǎn)生大量諧波涌入電網(wǎng)成為干擾源：日光燈等照明設(shè)備也產(chǎn)生輝光放電噪聲干擾。

(4)汽車(chē)、內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)：汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生寬帶干擾，從幾百千赫到幾百兆赫干擾強(qiáng)度幾乎不變。

(5)電網(wǎng)干擾：指由50Hz交流電網(wǎng)強(qiáng)大的電磁場(chǎng)和大地漏電流產(chǎn)生的干擾，以及高壓輸電線(xiàn)的電暈和絕緣斷裂等接觸不良產(chǎn)生的微弧和受污染導(dǎo)體表面的電火花。

(6)高速數(shù)字電子設(shè)備：包括計(jì)算機(jī)和相關(guān)設(shè)備。

上述電磁干擾源就產(chǎn)生的機(jī)理而言，有：放電噪聲(雷電、靜電放電、輝光放電等).接觸噪聲，電路的過(guò)渡現(xiàn)象，電磁波反射現(xiàn)象等。傳輸線(xiàn)中電磁波反射足高頻測(cè)量與數(shù)字設(shè)備必須認(rèn)真對(duì)待的干擾源。

電磁干擾的危害

干擾電視的收看、廣播收音機(jī)的收聽(tīng)。

數(shù)字系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)的丟失。

在設(shè)備分系統(tǒng)或系統(tǒng)級(jí)正常工作的破環(huán)。

醫(yī)療電子設(shè)備的工作失常。

自動(dòng)化微處理器控制系統(tǒng)的工作失控。

導(dǎo)航系統(tǒng)的工作失常。

起爆裝置的無(wú)意爆炸。

工業(yè)過(guò)程控制功能的失效。

除上以外強(qiáng)電場(chǎng)還會(huì)對(duì)生物體造成影響，一般可以分為熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)。對(duì)于熱效應(yīng)，隨著射頻入射功率密度的逐漸增加，可以出現(xiàn)血流加快、血液分布較少部位的局部體溫升高、酶活性降低、蛋百質(zhì)變性、心率改變甚至體溫調(diào)節(jié)能力受抑制、局部組織受損直至死亡等。而對(duì)于非熱效應(yīng)，其影響就廣泛的多。包括對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)、血液免疫系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)與胚胎發(fā)育的影響等。這些影響不僅反應(yīng)在個(gè)體級(jí)、器官級(jí)而且影響到細(xì)胞級(jí)。

電磁兼容設(shè)計(jì)要求

在進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)要求：①明確系統(tǒng)的電磁兼容指標(biāo)。電磁兼容設(shè)計(jì)包括本系統(tǒng)能保持正常工作的電磁干擾環(huán)境和本系統(tǒng)干擾其它系統(tǒng)的允許指標(biāo)。②在了解本系統(tǒng)干擾源、被干擾對(duì)象、干擾途徑的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析將這些指標(biāo)逐級(jí)分配到各分系統(tǒng)、子系統(tǒng)、電路和元件、器件上。③根據(jù)實(shí)際情況，采取相應(yīng)措施抑制干擾源，消除干擾途徑，提高電路的抗干擾能力。④通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證是否達(dá)到了原定的指標(biāo)要求，如未達(dá)到則進(jìn)一步采取措施，循環(huán)多次，直至達(dá)到原定指標(biāo)為止。

電磁兼容主要研究對(duì)象

①各種人為噪聲，如輸電線(xiàn)電暈噪聲、汽車(chē)噪聲、接觸器自身噪聲及導(dǎo)體開(kāi)臺(tái)時(shí)放電引起的噪聲、電氣機(jī)車(chē)噪聲、城市噪聲等。

②共用走廊內(nèi)各種公用事業(yè)設(shè)備(輸電線(xiàn)、通信、鐵路、公路、石油金屬管線(xiàn)等)相互間的影響。

③超高層建筑、輸電線(xiàn)、鐵塔等大型建筑物引起的反射問(wèn)題。

④電磁環(huán)境對(duì)人類(lèi)及各種生物的作用。其中包括強(qiáng)電線(xiàn)等工頻場(chǎng)，中、短波及微波電磁輻射的影響。

⑤核電磁脈沖的影響。高空核爆炸產(chǎn)生的電磁脈沖能大面積破壞地面上的指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)及報(bào)系統(tǒng)。

⑥探譜(TEMPEST)技術(shù)。其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是針對(duì)信息設(shè)備的電磁輻射與信息泄漏問(wèn)題，從信息接收和防護(hù)兩方面所開(kāi)展的一系列研究工作。

⑦電子設(shè)備的誤動(dòng)作。為了防止誤動(dòng)作，必須采取措施以提高設(shè)備的抗干擾能力。

⑧頻譜分配與管理。無(wú)線(xiàn)電頻譜是一種有限的資源，但不是消耗性的，既要科學(xué)地管理，又要充分地利用。

⑨電磁兼容與測(cè)量。

⑩自然界影響等。

電磁兼容測(cè)量的基本方法

1、電磁輻射發(fā)射測(cè)量系統(tǒng)

電磁場(chǎng)輻射測(cè)量是測(cè)量電氣、電子設(shè)備的電磁輻射強(qiáng)度

2、電磁輻射敏感度測(cè)試系統(tǒng)：其測(cè)量方法主要由以下幾種

1)用發(fā)射天線(xiàn)產(chǎn)生騷擾電磁場(chǎng)，

2)用TEM小室或GTEM小室產(chǎn)生騷擾電磁場(chǎng)，

3)用混響室產(chǎn)生騷擾電磁場(chǎng)，

4)用亥姆霍茲線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)

3、傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)量系統(tǒng)：有以下幾種測(cè)量方法

1)通過(guò)線(xiàn)路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)LISN，

2)用電流探頭測(cè)量電源線(xiàn)上的干擾電源，

3)通過(guò)功率吸收鉗來(lái)測(cè)量電源線(xiàn)上的干擾功率

4、傳導(dǎo)敏感度測(cè)試系統(tǒng)：往入干擾信號(hào)有以下幾種方法

1)通過(guò)變壓器向被測(cè)線(xiàn)路往入干擾信號(hào)，

2)通過(guò)耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)向被測(cè)線(xiàn)路往入干擾信號(hào)，

3)通過(guò)注入探頭向被測(cè)線(xiàn)往入干擾信號(hào).

提高電磁兼容性的措施

①使用完善的屏蔽體可防止外部輻射進(jìn)入本系統(tǒng)，也可防止本系統(tǒng)的干擾能量向外輻射。屏蔽體應(yīng)保持完整性，對(duì)必不可少的門(mén)、縫、通風(fēng)孔和電纜孔等須妥善處理，屏蔽體要有可靠的接地。

②設(shè)計(jì)合理的接地系統(tǒng)，小信號(hào)、大信號(hào)和產(chǎn)生干擾的電路盡量分開(kāi)接地，接地電阻盡可能小。

③使用合適的濾波技術(shù)，濾波器的通帶經(jīng)過(guò)合理選擇，盡量減小漏電損耗。

④使用限幅技術(shù)，限幅電平應(yīng)高于工作電平，并且應(yīng)雙向限幅。

⑤正確選用連接電纜和布線(xiàn)方式，必要時(shí)可用光纜代替長(zhǎng)電纜。

⑥采用平衡差動(dòng)電路、整形電路、積分電路和選通電路等技術(shù)。

⑦系統(tǒng)頻率分配要恰當(dāng)。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)主頻信號(hào)工作時(shí)，盡量使各信號(hào)頻率避開(kāi)，甚至避開(kāi)對(duì)方的諧振頻率。⑧共用走廊的各種設(shè)備，在條件許可時(shí)，應(yīng)保持較大的隔距，以減輕相互之間的影響。

電磁兼容課程的特點(diǎn)

1、電磁兼容以電磁理論為基礎(chǔ)。因此電磁兼容原理是以電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)的。

2、電磁兼容是一門(mén)綜合性邊緣學(xué)科。因此，掌握電磁兼容需要多學(xué)科知識(shí)基礎(chǔ)。

3、電磁兼容實(shí)踐性較強(qiáng)。因此，要掌握并靈活運(yùn)用電磁兼容技術(shù)需要設(shè)計(jì)者不斷地去實(shí)踐，積累經(jīng)驗(yàn)。

4、大量引用無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的概念和術(shù)語(yǔ)。

5、計(jì)量單位的特殊性。電磁兼容工程中最常用的度量單位是分貝(dB)

電磁兼容的實(shí)施

1.電源供電：由于很多電磁干擾都是通過(guò)電源耦合到電子設(shè)備中的，所以在系統(tǒng)供電上做專(zhuān)門(mén)的電磁兼容性設(shè)計(jì)。增加有效的變壓、穩(wěn)壓、濾波電路，使用高效率的開(kāi)關(guān)電源芯片和穩(wěn)壓濾波效果很好的低壓差線(xiàn)性電源芯片為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源。

2.使用去耦電容：每個(gè)集成電路的電源，地之間都加一個(gè)去耦電容。去耦電容有兩個(gè)作用：一方面是本集成電路的蓄能電容，提供和吸收該集成電路開(kāi)門(mén)關(guān)門(mén)瞬間的充放電能;另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。

3.地線(xiàn)分隔：采用4層電路板設(shè)計(jì)以減小電源，地的寄生電感，有效增強(qiáng)系統(tǒng)的EMC性能。單獨(dú)的電源層和地層可以有效防止器件之間通過(guò)地線(xiàn)和電源的相互耦合，另外對(duì)于有不同性質(zhì)的地線(xiàn)采用分割隔離的方法，使不同屬性的地線(xiàn)的電流走不同的路徑，可防止信號(hào)串?dāng)_。

通信接口：系統(tǒng)的485、232、USB等通訊接口外接線(xiàn)纜，且與外部設(shè)備有直接聯(lián)系，所以也易于受到各種電磁干擾，為了增強(qiáng)這些通訊接口的抗擾能力，在通訊信號(hào)線(xiàn)上串連磁珠和并聯(lián)壓敏電阻，以及濾波電容;

另外，為了增強(qiáng)抗擾度，同時(shí)降低騷擾度，在布置PCB板時(shí)要遵循以下原則：

1.石英晶體振蕩器盡量靠近到用該時(shí)鐘的器件，時(shí)鐘線(xiàn)盡量短，外殼要接地，用地線(xiàn)將時(shí)鐘區(qū)圈起來(lái)。

石英晶體下面以及對(duì)噪聲敏感的器件下面不要走線(xiàn)。

2.I/O驅(qū)動(dòng)電路盡量靠近印刷板邊，讓其盡快離開(kāi)印刷板。對(duì)進(jìn)入印制板的信號(hào)要加濾波，從高噪聲區(qū)來(lái)的信號(hào)也要加濾波，同時(shí)用串終端電阻的辦法，減小信號(hào)反射。

3.MCU無(wú)用端要接高，或接地，或定義成輸出端，集成電路上該接電源地的端都要接，不要懸空。閑置不用的門(mén)電路不要懸空。

4.印制板盡量使用45折線(xiàn)而不用90折線(xiàn)布線(xiàn)以減小高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射與耦合。

5.正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1MHz，它的布線(xiàn)和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線(xiàn)阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線(xiàn)阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1～10MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線(xiàn)長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)波長(zhǎng)的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。

6.將數(shù)字電路與模擬電路分開(kāi)。電路板上既有高速邏輯電路，又有線(xiàn)性電路，應(yīng)使它們盡量分開(kāi)，而兩者的地線(xiàn)不要相混，分別與電源端地線(xiàn)相連。要盡量加大線(xiàn)性電路的接地面積。

7.盡量加粗接地線(xiàn)。若接地線(xiàn)很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線(xiàn)盡量加粗，使它能通過(guò)三倍于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線(xiàn)的寬度應(yīng)大于3mm。

8.將接地線(xiàn)構(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線(xiàn)系統(tǒng)時(shí)，將接地線(xiàn)做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。其原因在于：印制電路板上有很多集成電路組件，尤其遇有耗電多的組件時(shí)，因受接地線(xiàn)粗細(xì)的限制，會(huì)在地結(jié)上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降，若將接地結(jié)構(gòu)成環(huán)路，則會(huì)縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。

9.選擇合理的導(dǎo)線(xiàn)寬度。由于瞬變電流在印制線(xiàn)條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導(dǎo)線(xiàn)的電感成分造成的，因此應(yīng)盡量減小印制導(dǎo)線(xiàn)的電感量。印制導(dǎo)線(xiàn)的電感量與其長(zhǎng)度成正比，與其寬度成反比，因而短而精的導(dǎo)線(xiàn)對(duì)抑制干擾是有利的。時(shí)鐘引線(xiàn)、行驅(qū)動(dòng)器或總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)線(xiàn)常常載有大的瞬變電流，印制導(dǎo)線(xiàn)要盡可能地短。對(duì)于分立組件電路，印制導(dǎo)線(xiàn)寬度在1.5mm左右時(shí)，即可完全滿(mǎn)足要求;對(duì)于集成電路，印制導(dǎo)線(xiàn)寬度可在0.2～1.0mm之間選擇。

10.采用正確的布線(xiàn)策略。采用平等走線(xiàn)可以減少導(dǎo)線(xiàn)電感，但導(dǎo)線(xiàn)之間的互感和分布電容增加，如果布局允許，最好采用井字形網(wǎng)狀布線(xiàn)結(jié)構(gòu)，具體做法是印制板的一面橫向布線(xiàn)，另一面縱向布線(xiàn)，然后在交叉孔處用金屬化孔相連。為了抑制印制板導(dǎo)線(xiàn)之間的串?dāng)_，在設(shè)計(jì)布線(xiàn)時(shí)應(yīng)盡量避免長(zhǎng)距離的平等走線(xiàn)。