淺談電磁兼容控制、設(shè)計(jì)及其測試

摘要: 本文提出了對(duì)電磁兼容性的控制方法，以及針對(duì)不同的設(shè)備或系統(tǒng)不同的設(shè)計(jì)方案，并介紹了電磁兼容性的測試。

關(guān)鍵詞: 電磁兼容性;控制;設(shè)計(jì);測試

自從電子系統(tǒng)降噪技術(shù)在70 年代中期出現(xiàn)以來，美國聯(lián)邦通訊委員會(huì)在1990 年和歐盟在1992年提出了對(duì)商業(yè)數(shù)碼產(chǎn)品的有關(guān)規(guī)章，這些規(guī)章要求各個(gè)公司確保它們的產(chǎn)品符合嚴(yán)格的磁化系數(shù)和發(fā)射準(zhǔn)則。符合這些規(guī)章的產(chǎn)品稱為具有電磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）。所謂的電磁兼容性是設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)和正在制定EMC 的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。我國在這方面的起步雖然較晚，但發(fā)展很快。隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國要參與世界技術(shù)市場的競爭，進(jìn)出口的電子產(chǎn)品都必須通過EMC檢驗(yàn)。我國98 年已立法強(qiáng)制對(duì)六類進(jìn)口電子產(chǎn)品(計(jì)算機(jī)、顯示器、打印機(jī)、開關(guān)電源、電視機(jī)和音響)及通信終端產(chǎn)品施行EMC 檢測。同時(shí)，國內(nèi)也正在審定和驗(yàn)收正式的EMC 認(rèn)證機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室。產(chǎn)品的EMC 檢測是實(shí)現(xiàn)電磁兼容不可缺少的技術(shù)手段，強(qiáng)制貫徹電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，則是保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高市場競爭力的先決條件。

電磁兼容性的控制方法

EMC 學(xué)科是在早期單純的抗干擾方法基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，兩者的目標(biāo)都是為了使設(shè)備和系統(tǒng)達(dá)到在共存的環(huán)境中互不發(fā)生干涉，最大限度地發(fā)揮其工作效率。但是，早期的抗干擾方法和現(xiàn)代的EMC 技術(shù)在控制電磁干擾策略思想上有著本質(zhì)的差別。

單純的抗干擾方法在抑制干擾的思想方法上比較簡單，或者認(rèn)識(shí)比較膚淺，主要的思路集中在怎樣設(shè)法抑制干擾的傳播上，因此工程技術(shù)人員處于極為被動(dòng)的地位，哪里有干擾就在哪里就事論事的給予解決，當(dāng)然經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師也會(huì)采取預(yù)防措施，但這僅僅是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)局部的應(yīng)用，解決問題的方法也是單純的對(duì)抗式的措施。

EMC 技術(shù)在控制干擾的策略上采取了主動(dòng)預(yù)防、整體規(guī)劃和“對(duì)抗”與“疏導(dǎo)”相結(jié)合的方針。人類在征服大自然各種災(zāi)難性危害中，總結(jié)出的預(yù)防和救治、對(duì)抗和疏導(dǎo)等一系列策略，在控制電磁危害中同樣是極其有效的思維方法。

首先EMC 控制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，應(yīng)該在設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、使用與維護(hù)的各階段都充分的予以考慮和實(shí)施才可能有效。科學(xué)而先進(jìn)的EMC 工程管理是有效控制技術(shù)的重要組成部分。在控制方法，除了采用眾所周知的抑制干擾傳播的技術(shù)，如屏蔽、接地、答接、合理布線等方法

以外，還可以采取回避和疏導(dǎo)的技術(shù)處理，如空間方位分離、頻率劃分與回避、濾波、吸收和旁路等等，有時(shí)這些回避和疏導(dǎo)技術(shù)簡單而巧妙，可以代替成本費(fèi)用昂貴而質(zhì)量體積較大的硬件措施，收到事半功倍的效果。

在解決電磁干擾問題的時(shí)機(jī)上，應(yīng)該由設(shè)備研制后期暴露出不兼容問題而采取挽救修補(bǔ)措施的被動(dòng)控制方法，轉(zhuǎn)變成在設(shè)備設(shè)計(jì)初始階段就開展預(yù)測分析和設(shè)計(jì)，預(yù)先檢驗(yàn)計(jì)算，并全面規(guī)劃實(shí)施細(xì)則和步驟，做到防患于未然。把EMC 設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)，維護(hù)性、維修性設(shè)計(jì)與產(chǎn)品的基本功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，并行開展。EMC 控制技術(shù)是現(xiàn)代并行工程的組成內(nèi)容之一。

EMC 控制策略與控制技術(shù)方案可分為如下幾類：

a.傳輸通道抑制：具體方法有濾波、屏蔽、搭接、接地、布線。

b.空間分離：地點(diǎn)位置控制、自然地形隔離、方位角控制、電場矢量方向控制。

c.時(shí)間分隔：時(shí)間共用準(zhǔn)則、雷達(dá)脈沖同步、主動(dòng)時(shí)間分隔、被動(dòng)時(shí)間分隔。

d.頻率管理：頻率管制、濾波、頻率調(diào)制、數(shù)字傳輸、光電轉(zhuǎn)換。

e.電氣隔離：變壓器隔離、光電隔離、繼電器隔離、ＤＣ/ＤＣ變換。

電磁兼容性的設(shè)計(jì)方法

EMC 設(shè)計(jì)的基本原則和方法，首先是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)EMC 提出的要求和相應(yīng)指標(biāo)，然后，依據(jù)EMC 的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，將設(shè)計(jì)產(chǎn)品的EMC 指標(biāo)要求分解成元器件級(jí)、電路級(jí)、模塊級(jí)和產(chǎn)品級(jí)的指標(biāo)要求，再按照各級(jí)要實(shí)現(xiàn)的功能要求，逐級(jí)分層次的進(jìn)行設(shè)計(jì)。

EMC 設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題很多，但從根本上講，就是如何提高設(shè)備的抗擾度和防止電磁泄漏。通常采取的措施，一方面設(shè)備或系統(tǒng)本身應(yīng)選用互相干擾最小的設(shè)備、電路和部件，并進(jìn)行合理的布局。再就是通過接地、屏蔽及濾波技術(shù)，抑制與隔離電磁騷擾。對(duì)不同的設(shè)備或系統(tǒng)有不同的設(shè)計(jì)方法和措施。

下面具體談點(diǎn)粗淺認(rèn)識(shí)。

元器件的選擇和電路的分析是EMC 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

以計(jì)算機(jī)為例.它是以數(shù)字電路為主，以低電平傳輸信號(hào)的設(shè)備。所用的數(shù)字集成電路既是干擾源，又是干擾的敏感器件，以存儲(chǔ)器為代表的MOS器件就是一個(gè)典型例子。存儲(chǔ)器瞬間工作時(shí)能產(chǎn)生很大電流，加之工作頻率可達(dá)百兆以上，因而易產(chǎn)生竄擾，造成誤動(dòng)作或通過公共阻抗干擾其它電路。但另一方面，MOS 器件本身的抗擾性又很差。數(shù)字電路傳送脈沖信號(hào)，產(chǎn)生的輻射頻率范圍很寬，如時(shí)鐘產(chǎn)生器、高速邏輯電路等都會(huì)產(chǎn)生高頻干擾和電磁泄漏，同時(shí)也會(huì)受通信、電視等頻段的電磁騷擾。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮選用抗干擾器件，合理確定指標(biāo)和運(yùn)用接地、屏蔽等技術(shù)。

電源系統(tǒng)的EMC 設(shè)計(jì)

無論是信息技術(shù)設(shè)備還是無線電電子、電氣產(chǎn)品都要有電源供電。電源有外電源和內(nèi)電源，電源是典型的也是危害嚴(yán)重的電磁干擾源。如電網(wǎng)的沖擊，尖峰電壓可高達(dá)千伏以上，會(huì)給設(shè)備或系統(tǒng)帶來毀滅性的破壞。另外，電源干線是多種干擾信號(hào)侵人設(shè)備的途徑。因此，電源系統(tǒng)，特別是開關(guān)電源的EMC 設(shè)計(jì)是部件級(jí)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。其措施多種多樣，諸如供電電纜直接從電網(wǎng)總閘引出，電網(wǎng)引出的交流經(jīng)穩(wěn)壓、低通濾波、電源變壓器繞組間的隔離、屏蔽以及浪涌抑制和過壓過流保護(hù)等。

接地系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

良好的接地可以保護(hù)設(shè)備或系統(tǒng)的正常操作以及人身安全。可以消除各種電磁干擾和雷擊等。所以接地設(shè)計(jì)是非常重要的，但也是難度較大的課題。地線的種類很多，有邏輯地、信號(hào)地、屏蔽地、保護(hù)地等。接地的方式也可分單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、混合接地和懸浮地等。理想的接地面應(yīng)為零電位，各接地點(diǎn)之間無電位差。但實(shí)際上，任何“地”或接地線都有電阻。當(dāng)有電流通過時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生壓降，使地線上的電位不為零，兩個(gè)接地點(diǎn)之間就會(huì)存在地電壓。當(dāng)電路多點(diǎn)接地，井有信號(hào)聯(lián)系時(shí)，就將構(gòu)成地環(huán)路干擾電壓。因此，接地技術(shù)十分講究，如信號(hào)接地與電源接地要分開，復(fù)雜電路采用多點(diǎn)接地和公共地等。

印制電路板的EMC 設(shè)計(jì)

元器件、電路和地線引起的騷擾都會(huì)在印制電路板上反映出來。因此，印制電路板的EMC 工程設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。印制電路板的布線要合理，如采用多層板，電源線與地線靠近，時(shí)鐘線、信號(hào)線與地線的距離要近等，以減少電路工作時(shí)引起內(nèi)部噪聲。嚴(yán)格執(zhí)行印制電路板的工藝標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，模擬和數(shù)字電路分層布局，以達(dá)到板上各電路之間的相互兼容。

另外，值得注意的是在進(jìn)行EMC 設(shè)計(jì)時(shí)，一定不能忽略對(duì)靜電放電(ESD)的防護(hù)。ESD 防護(hù)的關(guān)鍵，一是防止靜電核的產(chǎn)生和積累，再就是阻隔ESD 效應(yīng)的發(fā)生。阻止靜電的方法和措施很多，這里不做贅述。

電磁兼容性的測試方法

EMC 設(shè)計(jì)與EMC 測試是相輔相成的。EMC設(shè)計(jì)的好壞是要通過EMC 測試來衡量的。只有在產(chǎn)品的EMC 設(shè)計(jì)和研制的全過程中，進(jìn)行EMC 的相容性預(yù)測和評(píng)估，才能及早發(fā)現(xiàn)可能存在的電磁干擾，并采取必要的抑制和防護(hù)措施，從而確保系統(tǒng)的EMC。否則，當(dāng)產(chǎn)品定型或系統(tǒng)建成后再發(fā)現(xiàn)不兼容的題，則需在人力、物力上花很大的代價(jià)去修改設(shè)計(jì)或采用補(bǔ)救的措施。然而，往往難以徹底的解決問題，而給系統(tǒng)的使用帶來許多麻煩。

EMC 測試包括測試方法、測量儀器和試驗(yàn)場所，測試方法以各類標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，測量儀器以頻域?yàn)榛A(chǔ)，試驗(yàn)場地是進(jìn)行EMC 測試的先決條件，也是衡量EMC 工作水平的重要因素。EMC 檢測受場地的影響很大，尤其以電磁輻射發(fā)射、輻射接收與輻射敏感度的測試對(duì)場地的要求最為嚴(yán)格。目前，國內(nèi)外常用的試驗(yàn)場地有：開闊場、半電波暗室、屏蔽室和橫電磁波小室等。

作為EMC 測試的實(shí)驗(yàn)室大體有兩種類型：一種是經(jīng)過EMC 權(quán)威機(jī)構(gòu)審定和質(zhì)量體系認(rèn)證，而且具有法定測試資格的綜合性設(shè)計(jì)與測試實(shí)驗(yàn)室?；蚍Q檢測中心。它包括進(jìn)行傳導(dǎo)干擾、傳導(dǎo)敏感度及靜電放電敏感度測試的屏蔽室，進(jìn)行輻射敏感度測試的消聲屏蔽室，用來進(jìn)行輻射發(fā)射測試的開闊場地和配備齊全的測試與控制儀器設(shè)備。要建立這樣一套完善的實(shí)驗(yàn)室需投入幾百萬甚至數(shù)千萬元人民幣。目前，國內(nèi)已有數(shù)家已建成或正在投資興建。

另一種類型就是根據(jù)本單位的實(shí)際需要和經(jīng)費(fèi)情況而建立的具有一定測試功能的EMC實(shí)驗(yàn)室。比起大型的綜合實(shí)驗(yàn)室，這類測試實(shí)驗(yàn)室規(guī)模小，造價(jià)低。主要適用于預(yù)相容測試和EMC 評(píng)估。也就是為了使產(chǎn)品在最后進(jìn)行EMC 認(rèn)證之前，具有自測試和評(píng)估的手段。如有不足，還可以充分利用社會(huì)成果，內(nèi)外合作，進(jìn)行相互比對(duì)和交流，以達(dá)節(jié)約開支，改進(jìn)設(shè)計(jì)，不斷提高產(chǎn)品的EMC 之目的。

在測試儀器方面，以頻譜分析儀為核心的自動(dòng)檢測系統(tǒng)，可以快捷、準(zhǔn)確地提供EMC 有關(guān)參數(shù)。新型的EMC 掃描儀與頻譜儀相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電磁輻射的可視化?？蓪?duì)系統(tǒng)的單個(gè)元器件，PCB 板、整機(jī)與電纜等進(jìn)行全方位的三維測試，顯示真實(shí)的電磁輻射狀況。

EMC 測試必須依據(jù)EMC 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范給出的測試方法進(jìn)行，并以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限值作為判據(jù)。對(duì)于預(yù)相容測試，盡管不可能保證產(chǎn)品通過所有項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)測試，但至少可以消除絕大部分的電磁干擾，從而提高產(chǎn)品的可信度。而且能夠指出你如何改進(jìn)設(shè)計(jì)、抑制EMI 發(fā)射。

結(jié)束語

本文僅概略的介紹了一些產(chǎn)生電磁干擾的來源及其產(chǎn)品設(shè)計(jì)抑制方法。EMC 作為一門多學(xué)科的高新技術(shù)，以其在質(zhì)量保證體系中的重要作用而逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。堅(jiān)持EMC 性設(shè)計(jì)，提高貫徹EMC標(biāo)準(zhǔn)的意識(shí)性。消除電磁干擾，實(shí)現(xiàn)EMC，從根本上提高產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。