EMC教程系列之EMC簡介

一架客機在半空中爆炸，機上230人全部遇難。醫(yī)院的注射泵會在不觸發(fā)任何警報的情況下自動停止輸送保命****物。當(dāng)汽輪機控制閥自動關(guān)閉時，核電站進入警戒狀態(tài)。這些實際事件中的每一個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起飛后不久在海上爆炸。經(jīng)過長時間的調(diào)查，包括打撈和重建飛機的主要部分，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)研究人員進行的一項研究結(jié)果記錄了近50起醫(yī)院使用手機產(chǎn)生的電磁干擾事件，并將其中75%歸為重大或危險事件。另一項研究來自阿姆斯特丹的研究人員于2008年發(fā)表的報告顯示，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產(chǎn)生的干擾造成的。盡管所有核電站的設(shè)計和建造都非常重視安全和安保，但普通無線手機的相對微弱排放導(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****機的激增。

電磁兼容問題有三個基本要素，如圖1所示。必須有一個電磁能量源，一個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。這三個要素中的每一個都必須存在，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別其中至少兩個元素并消除（或衰減）其中一個來解決。

圖1.EMC問題的三個基本要素。

例如，在核電站的案例中，受體很容易被識別出來。汽輪機控制閥出現(xiàn)故障。源和耦合路徑最初是未知的；然而，一項調(diào)查顯示，工廠員工使用的無線手機是源頭。雖然此時耦合路徑未知，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）解決了該問題。一個更徹底、也許更安全的方法是識別耦合路徑并采取措施消除它。例如，假設(shè)確定無線手機的輻射****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)計電路，將是將耦合路徑衰減到不存在問題的點的可能方法。

當(dāng)羅斯福島的一輛電車在線路盡頭突然加速，撞上了一個混凝土護欄，這個問題被認為是電車動力的瞬變。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，并且對該電路進行了修改，以防止其被無意的隨機輸入所混淆。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、電源線、電子電路、閃電、調(diào)光器、電動機、電弧焊機、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別路徑?？赡艽嬖诙鄠€耦合路徑，并且為衰減一個路徑而采取的步驟可以增強另一個路徑。

19世紀80年代末，德國物理學(xué)家海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）進行了實驗，證實了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金屬棒之間的一個小間隙中產(chǎn)生了火花，如圖2所示?；鸹钤诮饘侔羯袭a(chǎn)生振蕩電流，導(dǎo)致電磁輻射接近天線的諧振頻率。接收天線是一個有很細間隙的線圈。間隙中的火花表明存在時變磁場，最大火花間隙長度提供了接收磁場強度的測量值。

古列爾莫·馬可尼了解到赫茲的實驗并加以改進。1895年，他發(fā)明了無線電報，這是第一個用無線電波傳送信息的通訊設(shè)備。雖然他的發(fā)明最初沒有被意識到其重要性，但由于這種裝置有可能加強與海上船只的通信，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。雖然測試在許多方面都取得了成功，但海軍無法同時操作兩個****機。造成這個問題的原因是早期無線電報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”（實驗）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****機同時工作時，接收機在一定程度上檢測到來自兩個****機的場，并且接收到的信號通常是無法理解的。這個早期的電磁兼容性問題被稱為射頻干擾（RFI）。隨著無線電報的普及，人們對RFI的關(guān)注也隨之增加。

1904年，西奧多·羅斯福簽署了一項行政命令，授權(quán)商務(wù)部監(jiān)管所有私人電臺，海軍監(jiān)管所有政府電臺（以及戰(zhàn)時所有電臺）。不同類型的無線電****機被分配了不同的頻率分配，通常只允許在特定時間運行，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****機和接收機的帶寬。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年這段時間被稱為廣播的黃金時代。在這期間，收音機的普及率猛增。隨著無線電數(shù)量的激增，電磁兼容性問題也隨之增加。RFI是一個普遍的問題，因為關(guān)于有意或無意干擾商業(yè)無線電廣播的規(guī)定不嚴格，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（FCC）成立于1934年，是美國政府的一個獨立機構(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。收音機和留聲機被集中在家庭娛樂系統(tǒng)中。收音機安裝在汽車、電梯、拖拉機和飛機上。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40年代，許多新型的無線電****機和接收機被開發(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（雷達）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上，導(dǎo)致了嚴重的電磁兼容問題。

戰(zhàn)爭期間電磁兼容性問題的經(jīng)驗促使制定了第一個陸軍-海軍RFI聯(lián)合標準，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召開。這次年會由政府和工業(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)會幾個專業(yè)組中最新成立的一個。今天，這個組織被稱為電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）的電磁兼容性協(xié)會。

60年代，電子設(shè)備越來越成為國防和社會的重要組成部分。例如，一艘典型的航空母艦使用了35個無線電****、56個無線電接收器、5個雷達、7個導(dǎo)航輔助系統(tǒng)和100多個天線[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。在軍隊之外，對計算機、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非常嚴重的問題。

20世紀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，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)兩個電位相差很大的物體聚在一起時，就會產(chǎn)生靜電放電。在干燥的日子里，當(dāng)一個人走過地毯后伸手去拿門把手時，這種“震驚”就是一個常見的例子。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。軍方意識到，在高空引爆核彈頭會在非常廣闊的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生極強的電磁脈沖。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)展屏蔽和電涌保護技術(shù)，在這種非常惡劣的環(huán)境中保護關(guān)鍵系統(tǒng)。

第三個電磁敏感性問題，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70年代對電磁敏感性的強調(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)品標準的數(shù)量。70年代后期成立的一個組織叫做EOS/ESD協(xié)會（EOS是電過應(yīng)力的縮寫）專門處理上述敏感問題。

另一個發(fā)生在60年代和70年代的變化是一個術(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，這被認為是一個更具描述性的術(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。

• 低價個人電腦和工作站的引進和擴散。

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

低價電腦的泛濫有兩個原因。首先，向大量消費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、高速度計算的出現(xiàn)促進了各種數(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（FCC）對計算機設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）進行了分階段修訂。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。實際上，在美國銷售或廣告銷售的所有計算機和計算機外圍設(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90年代，歐盟采用了遠遠超出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。在計算機市場呈指數(shù)級增長的時候，許多最新、最先進的設(shè)計因為無法滿足政府對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。整個行業(yè)開始向計算機公司提供屏蔽材料、鐵氧體和過濾器。EMC短期課程、測試實驗室、雜志和顧問開始出現(xiàn)在世界各地。國際社會對EMC的關(guān)注鼓勵了更多的研究，在開發(fā)更全面的測試程序和有意義的標準方面取得了重大進展。

在過去的20年中，有幾個技術(shù)趨勢對EMC的相關(guān)性和可用的工具產(chǎn)生了深遠的影響。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。自動駕駛汽車的引入和社會對計算機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)計能保證滿足這些要求的產(chǎn)品時，出錯的余地就更小了。

幸運的是，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)進步。實例包括采用納米結(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，電磁分析技術(shù)的進步和現(xiàn)有的設(shè)計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)計的早期就解決電磁兼容性問題比以往任何時候都重要，而不是在產(chǎn)品無法滿足給定要求后“修復(fù)”。