[科普中國(guó)]-電磁兼容性

歷史

過(guò)去在軍事領(lǐng)域之外，對(duì)于電磁兼容性的研究并不嚴(yán)謹(jǐn)，而且大多數(shù)設(shè)備制造商并不關(guān)心電磁兼容性問(wèn)題。但隨著使用更低信號(hào)電壓的現(xiàn)代數(shù)字設(shè)備的時(shí)鐘頻率迅速增高，電磁兼容性問(wèn)題變得越來(lái)越重要。許多國(guó)家意識(shí)到這個(gè)凸現(xiàn)的問(wèn)題，并對(duì)相關(guān)設(shè)備制造商頒布了政令，要求只有滿足基本條件的設(shè)備才能夠銷售。

各國(guó)的相應(yīng)的組織機(jī)構(gòu)開(kāi)始制定標(biāo)準(zhǔn)并維護(hù)政府指令，其中較為知名的國(guó)家組織有：美國(guó)的FCC、歐洲的CEN、CENELEC和ETSI及英國(guó)的BSI。還有眾多國(guó)際組織致力于“推進(jìn)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題的國(guó)際合作”，當(dāng)然也包含電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)。

其中最重要國(guó)際組織是國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEC），它擁有多個(gè)電磁兼容性問(wèn)題的全職分會(huì)。在IEC中協(xié)調(diào)這些分會(huì)的是ACEC，電磁兼容性問(wèn)題的顧問(wèn)委員會(huì)。

干擾的形成電磁干擾介紹電磁干擾(Electromagnetic Interference)，簡(jiǎn)稱EMI，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾主要是電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)或公共電源線互相產(chǎn)生干擾；輻射干擾是指電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過(guò)空間耦合把干擾信號(hào)傳給另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)或電子設(shè)備。為了防止一些電子產(chǎn)品產(chǎn)生的電磁干擾影響或破壞其它電子設(shè)備的正常工作，各國(guó)政府或一些國(guó)際組織都相繼提出或制定了一些對(duì)電子產(chǎn)品產(chǎn)生電磁干擾有關(guān)規(guī)章或標(biāo)準(zhǔn)，符合這些規(guī)章或標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品就可稱為具有電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。電磁兼容性EMC標(biāo)準(zhǔn)不是恒定不變的，而是天天都在改變，這也是各國(guó)政府或經(jīng)濟(jì)組織，保護(hù)自己利益經(jīng)常采取的手段。1

干擾源與受干擾源無(wú)論何種情況下電磁相容的問(wèn)題出現(xiàn)總是存在兩個(gè)互補(bǔ)的方面：

一個(gè)是干擾發(fā)射源和一個(gè)為此干擾敏感的受干擾設(shè)備。

如果一個(gè)干擾源與受干擾設(shè)備都處在同一設(shè)備中稱為系統(tǒng)內(nèi)部的EMC 情況。

不同設(shè)備間所產(chǎn)生的干擾狀況稱為系統(tǒng)間的EMC 情況。

大多數(shù)的設(shè)備中都有類似天線的特性的零件如電纜線、PCB 布線、內(nèi)部配線、機(jī)械結(jié)構(gòu)等這些零件透過(guò)電路相耦合的電場(chǎng)、磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)而將能量轉(zhuǎn)移。

實(shí)際情況下設(shè)備間和設(shè)備內(nèi)部的耦合受到了屏蔽與絕緣材料的限制而絕緣材料的吸收與導(dǎo)體相比的影響是微不足道的。

電纜線對(duì)電纜線的耦合既可以是電容性也可以是電感性并且取決于方位、長(zhǎng)度及接近程度的影響。

公共阻抗的耦合公共阻抗耦合線路是干擾源與受干擾設(shè)備共用電路阻抗所引起的。

公共導(dǎo)線也因兩個(gè)電流環(huán)之間的互感而引起或因兩個(gè)電壓節(jié)點(diǎn)之間的互容耦合而引起。

對(duì)于傳導(dǎo)性的公共阻抗耦合的解決是將連接線分離使系統(tǒng)各自獨(dú)立避免形成公共阻抗。

發(fā)射來(lái)自PCB 的發(fā)射：在大多數(shù)設(shè)備中主要的電流源是流入PCB 板上的電路中這些能量借由PCB 板所模擬成的天線而將干擾輻射出去。

來(lái)自電纜線的輻射：干擾電流以共模形式產(chǎn)生于在PCB 和設(shè)備內(nèi)部其他位置形成的對(duì)地噪聲并沿著導(dǎo)體或者屏蔽電纜的屏蔽層流動(dòng)。

傳導(dǎo)發(fā)射：干擾也可能從其他電纜以感性或容性方式偶合到電纜線上。

產(chǎn)生的干擾可能以差模(在火線與中線或在信號(hào)線之間)或共模(在火線/中線/信號(hào)線與接地間)或者以二者的混合形式出現(xiàn)。

對(duì)于電源部埠需要測(cè)量每一個(gè)相線/中線與在電源電纜遠(yuǎn)端地之間的電壓。

差模發(fā)射通常與來(lái)自電源的低頻開(kāi)關(guān)噪聲聯(lián)系在一起。

共模發(fā)射則是由于更高頻率的開(kāi)關(guān)元件、內(nèi)部電路源或電纜的內(nèi)部偶合引起的。

電路的分布電容分布廣泛。若沒(méi)有屏蔽物體的話,取決于與其他物體接近的程度。由于周圍環(huán)境有較高的電容,部分屏蔽的機(jī)殼實(shí)際上會(huì)使耦合更加嚴(yán)重惡化。

電磁兼容性分析角度電磁兼容性包括兩方面：EMI(電磁干擾)，EMS(電磁敏感性)兩方面。

EMI分類CE（傳導(dǎo)干擾），RE（輻射干擾），PT(干擾功率測(cè)試)等等。

EMS分類ESD(靜電放電），RS（輻射耐受），EFT/B(快速脈沖耐受)，surge（雷擊），CS（傳導(dǎo)耐受）等等

以上的各種試驗(yàn)都要由專門(mén)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。是電子類商品進(jìn)入市場(chǎng)前要取得認(rèn)證的必要條件。中國(guó)這樣的實(shí)驗(yàn)室很多，大部分集中在深圳等地。

電磁兼容性試驗(yàn)與檢測(cè)的試驗(yàn)室有環(huán)境可靠性與電磁兼容試驗(yàn)服務(wù)中心、航天環(huán)境可靠性試驗(yàn)中心等機(jī)構(gòu)。

電磁兼容性的重要規(guī)律規(guī)律一、EMC費(fèi)效比關(guān)系規(guī)律：EMC問(wèn)題越早考慮、越早解決，費(fèi)用越小、效果越好。2

在新產(chǎn)品研發(fā)階段就進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)，比等到產(chǎn)品EMC測(cè)試不合格才進(jìn)行改進(jìn)，費(fèi)用可以大大節(jié)省，效率可以大大提高；反之，效率就會(huì)大大降低，費(fèi)用就會(huì)大大增加。

經(jīng)驗(yàn)告訴我們，在功能設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)，到樣板、樣機(jī)完成則通過(guò)EMC測(cè)試，是最省時(shí)間和最有經(jīng)濟(jì)效益的。相反，產(chǎn)品研發(fā)階段不考慮EMC，投產(chǎn)以后發(fā)現(xiàn)EMC不合格才進(jìn)行改進(jìn)，非但技術(shù)上帶來(lái)很大難度、而且返工必然帶來(lái)費(fèi)用和時(shí)間的大大浪費(fèi)，甚至由于涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)的缺陷，無(wú)法實(shí)施改進(jìn)措施，導(dǎo)致產(chǎn)品不能上市。

規(guī)律二、高頻電流環(huán)路面積S越大,EMI輻射越嚴(yán)重。

高頻信號(hào)電流流經(jīng)電感最小路徑。當(dāng)頻率較高時(shí)，一般走線電抗大于電阻，連線對(duì)高頻信號(hào)就是電感，串聯(lián)電感引起輻射。電磁輻射大多是EUT被測(cè)設(shè)備上的高頻電流環(huán)路產(chǎn)生的，最惡劣的情況就是開(kāi)路之天線形式。對(duì)應(yīng)處理方法就是減少、減短連線，減小高頻電流回路面積，盡量消除任何非正常工作需要的天線，如不連續(xù)的布線或有天線效應(yīng)之元器件過(guò)長(zhǎng)的插腳。

減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要任務(wù)之一，就是想方設(shè)法減小高頻電流環(huán)路面積S。

規(guī)律三、環(huán)路電流頻率f越高，引起的EMI輻射越嚴(yán)重，電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)隨電流頻率f的平方成正比增大。減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要途徑之二，就是想方設(shè)法減小騷擾源高頻電流頻率f，即減小騷擾電磁波的頻率f。

電磁兼容性對(duì)策由于微電腦的依存度正不斷提高，設(shè)備的大量使用，復(fù)雜了我們的電磁環(huán)境，因此外來(lái)的干擾如脈沖噪聲、放射電磁場(chǎng)、靜電、雷擊、電壓變動(dòng)等，所引發(fā)的誤動(dòng)作產(chǎn)生當(dāng)機(jī)甚至破壞的情形，如無(wú)線電的通訊、雷達(dá)、大哥大、電視游樂(lè)器??等，往往干擾到電視，甚至于造成醫(yī)療器材使用中的誤動(dòng)作，影響到飛航的安全。3

國(guó)際上對(duì)于電子、電器、工業(yè)設(shè)備產(chǎn)品的抗擾性測(cè)試日漸重視，且趨向整合以IEC（International Electrotechnical Commission）國(guó)際規(guī)格為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，歐 洲共同體率先制定EMC防治法規(guī)，于1996 年起全面實(shí)施抗擾測(cè)試。3

電源方面三相入力電源在NFB（無(wú)熔絲斷路器）與變壓器間裝噪聲濾波器（Noise Filter），此濾波器的輸入線愈短愈好。

電源及大電流導(dǎo)線緊貼電氣箱之底部，并沿著邊角布線。

開(kāi)關(guān)式電源供應(yīng)器加裝隔離罩以防輻射性發(fā)射干擾，濾波器選用器選用π型或T 型可抑制寬波段噪聲，陶鐵磁體（Ferrite）材質(zhì)可抑制射頻噪聲。

電源線兩端考慮采隔離接地，以免接地回路（Ground Loop）形成共同阻抗耦合（Common Impedance Coupling）將噪聲耦合至信號(hào)線。

電源線與信號(hào)線盡量采用隔離或分開(kāi)配線。

電源變壓器應(yīng)加隔離（Shielding），外殼須接地良好。

單相AC 控制線建議采用絞線。

直流導(dǎo)線建議使用絞線來(lái)配線。

避免將電源與信號(hào)線接至同一接頭。

信號(hào)線方面信號(hào)輸入線與輸出線應(yīng)避免排在一起造成干擾。

應(yīng)將CABLE剩余不用之線單端接地，以避免形成感應(yīng)回路。

接近電源線附近的信號(hào)線考慮采用捻合（Twist）。

不同類別的信號(hào)線避免混雜接在一個(gè)連接頭上，宜按類別分類并加地線隔離。

輸入信號(hào)線與輸出線盡量避免同在一個(gè)接頭上，如不能避免時(shí)應(yīng)將輸入與輸出信號(hào)錯(cuò)開(kāi)。

敏感性較高之低準(zhǔn)位信號(hào)線，除采用絞線外可加隔離遮蔽。

模擬信號(hào)方面高頻的類比信號(hào)及脈波信號(hào)線建議采用隔離線。

高頻類比信號(hào)線采用同軸式隔離線，低頻之類比信號(hào)線采用絞線，必要時(shí)可外加隔離遮蔽，絕不可使用同軸隔離線。

連接頭安裝位置須清潔處理，接頭及金屬面的接觸電阻須小于2.5m歐姆。

類比電路干擾以波形失真為主，抑制方法主要在濾波器選用的特性，例如；帶寬、頻率響應(yīng)值。

類比信號(hào)線與數(shù)位排線必須相互垂直。

數(shù)字信號(hào)避免使用未隔離遮蔽的導(dǎo)線來(lái)傳送數(shù)位信號(hào)，宜使用多股絞線外加隔離線。

數(shù)位電路干擾以外在磁場(chǎng)干擾為主，應(yīng)加隔離措施。

數(shù)位電路易受高能電場(chǎng)干擾，須使用隔離線隔離，以能防止1～10MHz頻段之高能電場(chǎng)200V/m 干擾為最佳隔離選擇。

數(shù)位電路以抑制鄰近電路脈波與尖波（Spikes）干擾為主。

數(shù)位電路傳送避免使用過(guò)長(zhǎng)且未加隔離之導(dǎo)線。

電路設(shè)計(jì)方面具干擾性的回路，如時(shí)脈、驅(qū)動(dòng)器、交換式電源的ON和OFF、振蕩器式控制信號(hào)，應(yīng)加隔離遮蔽。

各型PCB電路設(shè)計(jì)盡可能選用低噪聲零組件，且須考慮噪聲變化與環(huán)境溫度變化之關(guān)系。

陶鐵磁體鐵芯（Ferrite core）適用于高頻濾波，但須注意經(jīng)由此線圈負(fù)載功率損耗。

穩(wěn)壓器須考慮抑制線路間共通阻抗耦合（Common Impedance Coupling）EMI問(wèn)題。

振蕩器本身輸出越小越好，如須要較大輸出，宜由放大器放大。

功率放大應(yīng)予隔離以防止輻射性發(fā)射。

電解質(zhì)電容器適于清除高漣波（High Ripple）及暫態(tài)電壓（Transient Voltage）變化。

動(dòng)力線的干擾有低壓（或瞬間斷電）超壓及突波，這些干擾通常來(lái)自于電力開(kāi)關(guān)的動(dòng)作、重負(fù)載的開(kāi)與關(guān)之瞬間、功率半導(dǎo)體動(dòng)作、保險(xiǎn)絲燒斷時(shí)、雷電感應(yīng)…等。

須考慮下述項(xiàng)目來(lái)抑制：

使用電源濾波器。

適當(dāng)?shù)碾娏Ψ峙洹?/p>

受干擾的裝置改用另一電路。

將電子零件及濾波器適當(dāng)?shù)陌b。

使用隔離變壓器。

裝置壓敏電阻。

交流電磁接觸器線圈、電磁閥，皆須聯(lián)結(jié)火花消除器。

電磁開(kāi)關(guān)之熱電驛輸出側(cè)須聯(lián)結(jié)三相火花消除器。

直流繼電器線圈聯(lián)結(jié)二極管，以供反相電壓保護(hù)。

火花消除器距離負(fù)載側(cè)愈近愈好。

把突波吸收器裝于電路開(kāi)關(guān)和噪聲濾波器之間，線與線間，線與接地之間，將能有效吸收突波。

配電箱設(shè)計(jì)配電箱采用金屬制，如焊接技術(shù)沒(méi)有問(wèn)題（不會(huì)變形），采用接縫全焊方式，假使無(wú)法全焊接合面的空隙盡可能縮小。假使配電箱是用螺絲組立方式，須把接觸的面漆刮掉，以便取得較佳的導(dǎo)電性。

配電箱難免會(huì)開(kāi)孔來(lái)做電纜線的出入口，電波會(huì)通過(guò)這些孔就無(wú)法通過(guò)測(cè)試，因此開(kāi)孔應(yīng)盡可能的縮小，沒(méi)有使用到的孔須用金屬做的蓋子蓋起來(lái)，金屬與金屬的接觸面漆須刮掉，且須用工業(yè)環(huán)境用的導(dǎo)電墊片。

配電箱的門(mén)在關(guān)閉時(shí)，和配電箱本體的接觸面，須用工業(yè)環(huán)境用的導(dǎo)電墊片，使其緊密的接觸，如基于成本的考慮可用分布緊湊的間距采用固定式的螺絲鎖緊。

配電箱門(mén)須留接地用的端點(diǎn)，接地面必須防漆。