電磁兼容的概念及設(shè)計(jì)方法

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(yùn)行，必須研究電磁兼容技術(shù)。以實(shí)例說明了電磁兼容的思路和設(shè)計(jì)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(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。

關(guān)鍵詞：電磁兼容；電磁干擾；設(shè)計(jì)

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(shí)驗(yàn)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(jì)；實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(jì)。電磁兼容已成為現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)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(qiáng)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(yàn)局于1999年1月起對個人計(jì)算機(jī)、顯示器、打印機(jī)、開關(guān)電源、電視機(jī)和音響設(shè)備實(shí)施電磁兼容性強(qiáng)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(diǎn)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(shí)施電磁兼容性強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度可達(dá)105V/m，磁場強(qiáng)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(jì)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(jì)時就給予電磁兼容性以足夠的重視。電磁兼容的設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)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(shí)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(yùn)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?yàn)楦行缘碾姶啪€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(jī)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(xiàng)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(jī)控制來實(shí)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(yùn)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(jī)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(jìn)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(qiáng)隔離措施。在對光電隔離器采用雙重設(shè)計(jì)后，微機(jī)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。基于以前積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(yàn)，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(qiáng)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(xiàng)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(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)

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(shí)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(diǎn)保護(hù)。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(xiàng)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(diǎn)，因?yàn)槎鄠€接地點(diǎn)會引入共地阻抗的干擾。而這個接地點(diǎn)的位置應(yīng)當(dāng)選擇在保證地線中的電流流向?yàn)閺男⌒盘栯娐妨飨虼笮盘栯娐?，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(qiáng)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(jì)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(shí)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(qiáng)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(jì)方法

5.1 對電磁干擾源的設(shè)計(jì)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(qiáng)度為52A/m、平均電場強(qiáng)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(jī)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(diǎn)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(jì)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(qiáng)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(jī)殼要電氣接觸良好，地線要盡量短、截面足夠大，進(jìn)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(jìn)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(jìn)一步濾掉從變壓器進(jìn)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(jī)械觸點(diǎn)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(jì)方法為

1）電路機(jī)械觸點(diǎn)的熄火花電路

電路機(jī)械觸點(diǎn)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(diǎn)分?jǐn)鄷r負(fù)載電感（L）上的能量，從而避免在觸點(diǎn)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(jì)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。