EMC教程系列之EMC簡介

一架客機(jī)在半空中爆炸，機(jī)上230人全部遇難。醫(yī)院的注射泵會(huì)在不觸發(fā)任何警報(bào)的情況下自動(dòng)停止輸送保命****物。當(dāng)汽輪機(jī)控制閥自動(dòng)關(guān)閉時(shí)，核電站進(jìn)入警戒狀態(tài)。這些實(shí)際事件中的每一個(gè)都是電磁兼容性問題的征兆。

電磁兼容性（EMC）被廣泛地定義為一個(gè)系統(tǒng)中的所有設(shè)備都能夠在其預(yù)期的電磁環(huán)境中正常工作的狀態(tài)。1996年， 環(huán)球航空800航班從紐約飛往巴黎的飛機(jī)起飛后不久在海上爆炸。經(jīng)過長時(shí)間的調(diào)查，包括打撈和重建飛機(jī)的主要部分，得出的結(jié)論是，爆炸最可能的原因是中央翼油箱中的火花點(diǎn)燃了空氣/燃料混合物。這種火花很可能是大電壓瞬變的直接結(jié)果，可能是電源線瞬變或靜電放電。

2007年，阿姆斯特丹大學(xué)研究人員進(jìn)行的一項(xiàng)研究結(jié)果記錄了近50起醫(yī)院使用手機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾事件，并將其中75%歸為重大或危險(xiǎn)事件。另一項(xiàng)研究來自阿姆斯特丹的研究人員于2008年發(fā)表的報(bào)告顯示，來自RFID設(shè)備的電磁干擾也有可能導(dǎo)致重癥監(jiān)護(hù)醫(yī)療設(shè)備發(fā)生故障。

尼亞加拉莫霍克九里角2號核電站的閥門自發(fā)關(guān)閉是由于工人的無線手機(jī)產(chǎn)生的干擾造成的。盡管所有核電站的設(shè)計(jì)和建造都非常重視安全和安保，但普通無線手機(jī)的相對微弱排放導(dǎo)致了一次重大故障。

不幸的是，這些并非罕見的孤立事件。電磁兼容性問題每年都會(huì)導(dǎo)致許多人死亡和數(shù)十億美元的收入損失。在過去的十年里，電磁兼容問題的數(shù)量和嚴(yán)重程度都呈爆炸性增長，這主要是由于微處理器控制的設(shè)備、高頻電路和低功率****機(jī)的激增。

電磁兼容問題有三個(gè)基本要素，如圖1所示。必須有一個(gè)電磁能量源，一個(gè)因電磁能量而不能正常工作的接收器（或受害者），以及它們之間的一條將能量從源耦合到接收器的路徑。這三個(gè)要素中的每一個(gè)都必須存在，盡管它們可能不是在每一種情況下都很容易確定。電磁兼容問題通常通過識(shí)別其中至少兩個(gè)元素并消除（或衰減）其中一個(gè)來解決。

圖1.EMC問題的三個(gè)基本要素。

例如，在核電站的案例中，受體很容易被識(shí)別出來。汽輪機(jī)控制閥出現(xiàn)故障。源和耦合路徑最初是未知的；然而，一項(xiàng)調(diào)查顯示，工廠員工使用的無線手機(jī)是源頭。雖然此時(shí)耦合路徑未知，但通過消除源（例如限制在某些區(qū)域使用低功率無線電****機(jī)）解決了該問題。一個(gè)更徹底、也許更安全的方法是識(shí)別耦合路徑并采取措施消除它。例如，假設(shè)確定無線手機(jī)的輻射****在連接到印刷電路卡（包含控制渦輪閥的電路）的電纜上感應(yīng)電流。如果發(fā)現(xiàn)電路的運(yùn)行受到這些感應(yīng)電流的不利影響，則可以確定可能的耦合路徑。屏蔽、過濾或重新布線電纜，以及過濾或重新設(shè)計(jì)電路，將是將耦合路徑衰減到不存在問題的點(diǎn)的可能方法。

當(dāng)羅斯福島的一輛電車在線路盡頭突然加速，撞上了一個(gè)混凝土護(hù)欄，這個(gè)問題被認(rèn)為是電車動(dòng)力的瞬變。耦合路徑可能是通過供電到速度控制電路的，盡管研究人員無法重現(xiàn)故障，因此源和耦合路徑從未被最終確定。另一方面，接收器被清楚地顯示為速度控制電路，并且對該電路進(jìn)行了修改，以防止其被無意的隨機(jī)輸入所混淆。換言之，解決方案是通過使速度控制電路不受電源產(chǎn)生的電磁現(xiàn)象的影響來消除接收器。

電磁兼容性問題的潛在來源包括無線電****機(jī)、電源線、電子電路、閃電、調(diào)光器、電動(dòng)機(jī)、電弧焊機(jī)、太陽耀斑以及任何利用或產(chǎn)生電磁能量的東西。潛在的接收器包括無線電接收器、電子電路、電器、人，以及幾乎任何利用或能探測到電磁能量的東西。

將電磁能量從源耦合到接收器的方法分為四類。

1. 傳導(dǎo)（電流）

2. 感應(yīng)耦合（磁場）

3. 電容耦合（電場）

4. 輻射（電磁場）

耦合路徑通常使用這些方法的復(fù)雜組合，使得即使在已知源和受體的情況下也難以識(shí)別路徑?？赡艽嬖诙鄠€(gè)耦合路徑，并且為衰減一個(gè)路徑而采取的步驟可以增強(qiáng)另一個(gè)路徑。

19世紀(jì)80年代末，德國物理學(xué)家海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了20年前詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）發(fā)表的理論。赫茲在另一端與金屬板相連的兩個(gè)金屬棒之間的一個(gè)小間隙中產(chǎn)生了火花，如圖2所示。火花激勵(lì)在金屬棒上產(chǎn)生振蕩電流，導(dǎo)致電磁輻射接近天線的諧振頻率。接收天線是一個(gè)有很細(xì)間隙的線圈。間隙中的火花表明存在時(shí)變磁場，最大火花間隙長度提供了接收磁場強(qiáng)度的測量值。

古列爾莫·馬可尼了解到赫茲的實(shí)驗(yàn)并加以改進(jìn)。1895年，他發(fā)明了無線電報(bào)，這是第一個(gè)用無線電波傳送信息的通訊設(shè)備。雖然他的發(fā)明最初沒有被意識(shí)到其重要性，但由于這種裝置有可能加強(qiáng)與海上船只的通信，美國海軍對此產(chǎn)生了興趣。

1899年，海軍首次在船上測試無線電報(bào)。雖然測試在許多方面都取得了成功，但海軍無法同時(shí)操作兩個(gè)****機(jī)。造成這個(gè)問題的原因是早期無線電報(bào)的工作頻率和帶寬主要取決于天線的尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)。接收天線總是“調(diào)諧”（實(shí)驗(yàn)）到與****天線相同的工作頻率，但是帶寬很難控制。因此，當(dāng)兩個(gè)****機(jī)同時(shí)工作時(shí)，接收機(jī)在一定程度上檢測到來自兩個(gè)****機(jī)的場，并且接收到的信號通常是無法理解的。這個(gè)早期的電磁兼容性問題被稱為射頻干擾（RFI）。隨著無線電報(bào)的普及，人們對RFI的關(guān)注也隨之增加。

1904年，西奧多·羅斯福簽署了一項(xiàng)行政命令，授權(quán)商務(wù)部監(jiān)管所有私人電臺(tái)，海軍監(jiān)管所有政府電臺(tái)（以及戰(zhàn)時(shí)所有電臺(tái)）。不同類型的無線電****機(jī)被分配了不同的頻率分配，通常只允許在特定時(shí)間運(yùn)行，以降低射頻干擾的可能性。

到1906年，各種火花熄滅方案和調(diào)諧電路被用來顯著減少無線****機(jī)和接收機(jī)的帶寬。然而，正是1912年真空管振蕩器和1918年超外差接收器的發(fā)明使真正的窄帶傳輸和接收成為可能。這些發(fā)展也使人們能夠傳輸相當(dāng)清晰的人類語言，這為商業(yè)無線電廣播鋪平了道路。

從1925年到1950年這段時(shí)間被稱為廣播的黃金時(shí)代。在這期間，收音機(jī)的普及率猛增。隨著無線電數(shù)量的激增，電磁兼容性問題也隨之增加。RFI是一個(gè)普遍的問題，因?yàn)殛P(guān)于有意或無意干擾商業(yè)無線電廣播的規(guī)定不嚴(yán)格，而且更多的人可以使用無線電設(shè)備。為了緩解這一問題，聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）成立于1934年，是美國政府的一個(gè)獨(dú)立機(jī)構(gòu)。它被授權(quán)通過無線電、電線和電纜來管理美國州際和國外的通訊。FCC法規(guī)和許可證要求大大減少了射頻干擾問題的數(shù)量。

然而，由于越來越多的新的無線電接收器出現(xiàn)在公眾家中，EMC的問題也隨之出現(xiàn)。無意的電磁輻射源，如雷暴、汽油機(jī)和電器，通常比有意的無線電****產(chǎn)生更大的干擾問題。

系統(tǒng)內(nèi)干擾也日益引起關(guān)注。超外差接收機(jī)包含自己的本振，必須與無線電自身電路的其他部分隔離。收音機(jī)和留聲機(jī)被集中在家庭娛樂系統(tǒng)中。收音機(jī)安裝在汽車、電梯、拖拉機(jī)和飛機(jī)上。這些系統(tǒng)的開發(fā)者和制造商發(fā)現(xiàn)有必要開發(fā)更好的接地、屏蔽和濾波技術(shù)，以使他們的產(chǎn)品發(fā)揮作用。

在20世紀(jì)40年代，許多新型的無線電****機(jī)和接收機(jī)被開發(fā)用于第二次世界大戰(zhàn)期間。無線電信號不僅用于通信，還用于定位艦船和飛機(jī)（雷達(dá)）和干擾敵方無線電通信。由于迫在眉睫的需要，這種設(shè)備被匆忙地安裝在船上和飛機(jī)上，導(dǎo)致了嚴(yán)重的電磁兼容問題。

戰(zhàn)爭期間電磁兼容性問題的經(jīng)驗(yàn)促使制定了第一個(gè)陸軍-海軍RFI聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)，即1945年1月1日發(fā)布的“無線電干擾測量”。更多的注意力集中在RFI問題上，特別是接地、屏蔽和濾波技術(shù)。電磁兼容性以類似于天線設(shè)計(jì)或通信理論的方式成為一門工程專業(yè)。

1954年，第一屆射頻干擾裝甲研究基金會(huì)召開。這次年會(huì)由政府和工業(yè)界共同贊助。三年后，無線電頻率干擾專業(yè)組成立，成為無線電工程師學(xué)會(huì)幾個(gè)專業(yè)組中最新成立的一個(gè)。今天，這個(gè)組織被稱為電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）的電磁兼容性協(xié)會(huì)。

60年代，電子設(shè)備越來越成為國防和社會(huì)的重要組成部分。例如，一艘典型的航空母艦使用了35個(gè)無線電****、56個(gè)無線電接收器、5個(gè)雷達(dá)、7個(gè)導(dǎo)航輔助系統(tǒng)和100多個(gè)天線[1]。在越戰(zhàn)期間，海軍艦艇經(jīng)常被迫關(guān)閉關(guān)鍵系統(tǒng)，以便讓其他系統(tǒng)發(fā)揮作用。這種令人震驚的情況使人們更加關(guān)注電磁兼容性問題。在軍隊(duì)之外，對計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星、電話、無線電和電視的依賴性日益增加，這使得對電磁現(xiàn)象的潛在敏感性成為一個(gè)非常嚴(yán)重的問題。

20世紀(jì)70年代見證了微處理器的發(fā)展和小型、低成本、低功耗半導(dǎo)體器件的發(fā)展。使用這些器件的電路比舊的真空管電路對弱電磁場更敏感。因此，更多的注意力集中在解決與這些電路相關(guān)的越來越多的電磁敏感性問題上。

除了傳統(tǒng)的輻射電磁敏感性（RES）問題由于有意和無意的射頻****機(jī)，三類電磁敏感性問題在70年代得到了突出。其中最常見的可能是靜電放電（ESD）。當(dāng)兩個(gè)電位相差很大的物體聚在一起時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生靜電放電。在干燥的日子里，當(dāng)一個(gè)人走過地毯后伸手去拿門把手時(shí)，這種“震驚”就是一個(gè)常見的例子。然而，即使是太弱而感覺不到的放電，也能破壞半導(dǎo)體器件。

另一個(gè)在70年代聲名狼藉的電磁敏感問題被稱為電磁脈沖或電磁脈沖。軍方意識(shí)到，在高空引爆核彈頭會(huì)在非常廣闊的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁脈沖。這種脈沖很容易損壞或使關(guān)鍵的電子系統(tǒng)失效。為了解決這一問題，政府開始大力發(fā)展屏蔽和電涌保護(hù)技術(shù)，在這種非常惡劣的環(huán)境中保護(hù)關(guān)鍵系統(tǒng)。

第三個(gè)電磁敏感性問題，電力線瞬態(tài)磁化率（PLT）的出現(xiàn)，也是半導(dǎo)體器件使用量增加的直接后果。真空管電路通常需要巨大的電源，以便將電子設(shè)備與電源線上的噪聲隔離開來。另一方面，高速、低功率半導(dǎo)體器件對瞬態(tài)更為敏感，其功率要求一般，因此通常需要使用相對較小的低成本電源，而這些電源與電源線之間沒有太大的隔離。此外，這些設(shè)備的低成本意味著更多的設(shè)備安裝在家庭和辦公室，那里的配電通常沒有很好的調(diào)節(jié)，而且噪音也相對較大。

20世紀(jì)70年代對電磁敏感性的強(qiáng)調(diào)體現(xiàn)在這十年中出現(xiàn)的有關(guān)磁化率的任務(wù)組、測試程序和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量。70年代后期成立的一個(gè)組織叫做EOS/ESD協(xié)會(huì)（EOS是電過應(yīng)力的縮寫）專門處理上述敏感問題。

另一個(gè)發(fā)生在60年代和70年代的變化是一個(gè)術(shù)語RFI逐漸被更一般的術(shù)語EMI或電磁干擾所取代。由于并非所有的干擾問題都發(fā)生在無線電頻率上，這被認(rèn)為是一個(gè)更具描述性的術(shù)語。根據(jù)耦合路徑，EMI通常分為輻射EMI或傳導(dǎo)EMI。

20世紀(jì)80年代的兩次事件對電磁兼容領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛的重大影響。

• 低價(jià)個(gè)人電腦和工作站的引進(jìn)和擴(kuò)散。

• 對FCC規(guī)則和法規(guī)第15部分的修訂，對計(jì)算設(shè)備 .

低價(jià)電腦的泛濫有兩個(gè)原因。首先，向大量消費(fèi)者和制造商介紹了一種產(chǎn)品，該產(chǎn)品既是電磁兼容問題的重要來源，又是電磁兼容問題的接受者。第二，低成本、高速度計(jì)算的出現(xiàn)促進(jìn)了各種數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展，這些技術(shù)對工程師分析和解決電磁兼容問題的能力產(chǎn)生了巨大的影響。

1980年至1982年期間，聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）對計(jì)算機(jī)設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）進(jìn)行了分階段修訂。這些法規(guī)要求所有工作頻率為9 kHz或更高的電子設(shè)備，并采用“數(shù)字技術(shù)”來滿足嚴(yán)格的限值，以調(diào)節(jié)設(shè)備輻射或連接到電源線的電磁輻射。實(shí)際上，在美國銷售或廣告銷售的所有計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備都必須滿足這些要求。許多其他國家也制定了類似的要求。

在20世紀(jì)90年代，歐盟采用了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出FCC要求的EMC法規(guī)。歐洲法規(guī)限制了不受FCC要求限制的家用電器、醫(yī)療設(shè)備和各種電子設(shè)備的無意排放。此外，歐盟還制定了這些設(shè)備的電磁抗擾度要求，并規(guī)定了測試電子系統(tǒng)對輻射電磁場、傳導(dǎo)功率和信號線噪聲以及靜電放電敏感性的程序。

這些法規(guī)的影響是巨大的。在計(jì)算機(jī)市場呈指數(shù)級增長的時(shí)候，許多最新、最先進(jìn)的設(shè)計(jì)因?yàn)闊o法滿足政府對EMC的要求而受到阻礙。公司組建了EMC部門，并為EMC工程師做廣告。整個(gè)行業(yè)開始向計(jì)算機(jī)公司提供屏蔽材料、鐵氧體和過濾器。EMC短期課程、測試實(shí)驗(yàn)室、雜志和顧問開始出現(xiàn)在世界各地。國際社會(huì)對EMC的關(guān)注鼓勵(lì)了更多的研究，在開發(fā)更全面的測試程序和有意義的標(biāo)準(zhǔn)方面取得了重大進(jìn)展。

在過去的20年中，有幾個(gè)技術(shù)趨勢對EMC的相關(guān)性和可用的工具產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。出現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)導(dǎo)致需要在日益復(fù)雜的電磁環(huán)境中可靠工作的電子系統(tǒng)數(shù)量呈指數(shù)級增長。自動(dòng)駕駛汽車的引入和社會(huì)對計(jì)算機(jī)的依賴程度越來越高，以確保公共安全，這使得人們更加重視電子系統(tǒng)的可靠性。在指定有意義的EMC要求和設(shè)計(jì)能保證滿足這些要求的產(chǎn)品時(shí)，出錯(cuò)的余地就更小了。

幸運(yùn)的是，過去20年也取得了重大突破，幫助工程師預(yù)測和糾正潛在的EMC問題。在日益復(fù)雜的電磁建模工具的幫助下，研究人員對電磁兼容問題的耦合機(jī)制有了更深入的了解。已經(jīng)開發(fā)出能夠預(yù)測最壞情況的模型，并幫助開發(fā)保證滿足其EMC要求的產(chǎn)品。在減少或消除不必要的電磁耦合的組件和材料方面，也取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步。實(shí)例包括采用納米結(jié)構(gòu)的新型輕質(zhì)低成本屏蔽材料、更薄更有效的吸收材料、更小的無源濾波器組件、更有效的瞬態(tài)抑制組件以及能夠減少****和提高電磁抗擾度的更復(fù)雜的數(shù)字設(shè)備。

今天，過去20年的趨勢仍在繼續(xù)。計(jì)算設(shè)備變得越來越密集、更快、更復(fù)雜、更普及，這給EMC工程師帶來了新的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，電磁分析技術(shù)的進(jìn)步和現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案正在徹底改變用于確保符合EMC要求的方法。

與電磁兼容性有關(guān)的政府和行業(yè)法規(guī)和測試程序繼續(xù)被引入和定期更新。然而，技術(shù)革新的快速發(fā)展基本上保證了僅靠規(guī)章制度永遠(yuǎn)不足以保證電子系統(tǒng)的安全性和兼容性。這使得在設(shè)計(jì)的早期就解決電磁兼容性問題比以往任何時(shí)候都重要，而不是在產(chǎn)品無法滿足給定要求后“修復(fù)”。