電磁兼容原理、方法及設(shè)計的科普好文（一）

什么是電磁兼容

電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。
電磁兼容的主要研究對象

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①各種人為噪聲，如輸電線電暈噪聲、汽車噪聲、接觸器自身噪聲及導(dǎo)體開臺時放電引起的噪聲、電氣機(jī)車噪聲、城市噪聲等。

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②共用走廊內(nèi)各種公用事業(yè)設(shè)備（輸電線、通信、鐵路、公路、石油金屬管線等）相互間的影響。

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③超高層建筑、輸電線、鐵塔等大型建筑物引起的反射問題。

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④電磁環(huán)境對人類及各種生物的作用。其中包括強(qiáng)電線等工頻場，中、短波及微波電磁輻射的影響。

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⑤核電磁脈沖的影響。高空核爆炸產(chǎn)生的電磁脈沖能大面積破壞地面上的指揮、控制、通信、計算機(jī)及報系統(tǒng)。

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⑥探譜（TEMPEST）技術(shù)。其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是針對信息設(shè)備的電磁輻射與信息泄漏問題，從信息接收和防護(hù)兩方面所開展的一系列研究工作。

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⑦電子設(shè)備的誤動作。為了防止誤動作，必須采取措施以提高設(shè)備的抗干擾能力。

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⑧頻譜分配與管理。無線電頻譜是一種有限的資源，但不是消耗性的，既要科學(xué)地管理，又要充分地利用。

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⑨電磁兼容與測量。

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⑩自然界影響等。

 
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提高電磁兼容性的措施

01
使用完善的屏蔽體可防止外部輻射進(jìn)入本系統(tǒng)，也可防止本系統(tǒng)的干擾能量向外輻射。屏蔽體應(yīng)保持完整性，對必不可少的門、縫、通風(fēng)孔和電纜孔等須妥善處理，屏蔽體要有可靠的接地。


02
設(shè)計合理的接地系統(tǒng)，小信號、大信號和產(chǎn)生干擾的電路盡量分開接地，接地電阻盡可能小。

03
使用合適的濾波技術(shù)，濾波器的通帶經(jīng)過合理選擇，盡量減小漏電損耗。

04
使用限幅技術(shù)，限幅電平應(yīng)高于工作電平，并且應(yīng)雙向限幅。

05
正確選用連接電纜和布線方式，必要時可用光纜代替長電纜。

06
采用平衡差動電路、整形電路、積分電路和選通電路等技術(shù)。

07
系統(tǒng)頻率分配要恰當(dāng)。當(dāng)一個系統(tǒng)中有多個主頻信號工作時，盡量使各信號頻率避開，甚至避開對方的諧振頻率。

08
共用走廊的各種設(shè)備，在條件許可時，應(yīng)保持較大的隔距，以減輕相互之間的影響。

電磁兼容性設(shè)計的基本原理

1接地

接地是電子設(shè)備的一個很重要問題。接地目的有三個：
（1）接地使整個電路系統(tǒng)中的所有單元電路都有一個公共的參考零電位，保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定地干作。
（2）防止外界電磁場的干擾。機(jī)殼接地可以使得由于靜電感應(yīng)而積累在機(jī)殼上的大量電荷通過大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設(shè)備內(nèi)部的火花放電而造成干擾。另外，對于電路的屏蔽體，若選擇合適的接地，也可獲得良好的屏蔽效果。
（3）保證**工作。當(dāng)發(fā)生直接雷電的電磁感應(yīng)時，可避免電子設(shè)備的毀壞；當(dāng)工頻交流電源的輸入電壓因絕緣不佳或其它原因直接與機(jī)殼相通時，可避免操作人員的觸電事故發(fā)生。此外，很多醫(yī)療設(shè)備都與病人的人體直接相連，當(dāng)機(jī)殼帶有110V或220V電壓時，將發(fā)生致命危險。
因此，接地是抑制噪聲防止干擾的主要方法。接地可以理解為一個等電位點(diǎn)或等電位面，是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位，但不一定為大地電位。為了防止雷擊可能造成的損壞和工作人員的人身**，電子設(shè)備的機(jī)殼和機(jī)房的金屬構(gòu)件等，必須與大地相連接，而且接地電阻一般要很小，不能超過規(guī)定值。
電路的接地方式基本上有三類，即單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。單點(diǎn)接地是指在一個線路中，只有一個物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)。其它各個需要接地的點(diǎn)都直接接到這一點(diǎn)上。多點(diǎn)接地是指某一個系統(tǒng)中各個接地點(diǎn)都直接接到距它*近的接地平面上，以使接地引線的長度*短。接地平面，可以是設(shè)備的底板，也可以是貫通整個系統(tǒng)的地導(dǎo)線，在比較大的系統(tǒng)中，還可以是設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架等等。
混合接地是將那些只需高頻接地點(diǎn)，利用旁路電容和接地平面連接起來。但應(yīng)盡量防止出現(xiàn)旁路電容和引線電感構(gòu)成的諧振現(xiàn)象。
2屏蔽

屏蔽就是對兩個空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應(yīng)和輻射。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個系統(tǒng)的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴(kuò)散；用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。
因?yàn)槠帘误w對來自導(dǎo)線、電纜、元部件、電路或系統(tǒng)等外部的干擾電磁波和內(nèi)部電磁波均起著吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場，可抵消部分干擾電磁波）的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能。
屏蔽體材料選擇的原則是：
（1）當(dāng)干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率（高電導(dǎo)率）的金屬材料中產(chǎn)生的渦流（P=I2R，電阻率越低（電導(dǎo)率越高），消耗的功率越大），形成對外來電磁波的抵消作用，從而達(dá)到屏蔽的效果。
（2）當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時，要采用高導(dǎo)磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)部，防止擴(kuò)散到屏蔽的空間去。
（3）在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時，往往采用不同的金屬材料組成多層屏蔽體。
3其他

（1）濾波
濾波是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。
濾波器可以顯著地減小傳導(dǎo)干擾的電平，因?yàn)楦蓴_頻譜成份不等于有用信號的頻率，濾波器對于這些與有用信號頻率不同的成份有良好的抑制能力，從而起到其它干擾抑制難以起到的作用。所以，采用濾波網(wǎng)絡(luò)無論是抑制干擾源和消除干擾耦合，或是增強(qiáng)接收設(shè)備的抗干擾能力，都是有力措施。用阻容和感容去耦網(wǎng)絡(luò)能把電路與電源隔離開，消除電路之間的耦合，并避免干擾信號進(jìn)入電路。對高頻電路可采用兩個電容器和一個電感器（高頻扼流圈）組成的CLCMπ型濾波器。濾波器的種類很多，選擇適當(dāng)?shù)臑V波器能消除不希望的耦合。
（2）正確選用無源元件
實(shí)用的無源元件并不是“理想”的，其特性與理想的特性是有差異的。實(shí)用的元件本身可能就是一個干擾源，因此正確選用無源元件非常重要。有時也可以利用元件具有的特性進(jìn)行抑制和防止干擾。
（3）電路技術(shù)

有時候采用屏蔽后仍不能滿足抑制和防止干擾的要求，可以結(jié)合屏蔽，采取平衡措施等電路技術(shù)。平衡電路是指雙線電路中的兩根導(dǎo)線與連接到這兩根導(dǎo)線的所有電路，對地或?qū)ζ渌鼘?dǎo)線都具有相同的阻抗。其目的在于使兩根導(dǎo)線所檢拾到的干擾信號相等。這時的干擾噪聲是一個共態(tài)信號，可在負(fù)載上自行消失。另外，還可采用其它一些電路技術(shù)，例如接點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，整形電路，積分電路和選通電路等等?？傊?，采用電路技術(shù)也是抑制和防止干擾的重要措施。

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1、電磁兼容的分層設(shè)計原則

這主要是按照電磁兼容設(shè)計的先后順序來考慮的，從先到后可分為以下幾層：
（1）元器件的選擇和PCB設(shè)計，這是關(guān)鍵的；
（2）接地設(shè)計，這是主要的手段。以上兩層如果設(shè)計的好，可完成電磁兼容的80%以上的工作。
（3）屏蔽設(shè)計；
（4）濾波設(shè)計和瞬態(tài)騷擾抑制。以上兩層是輔助手段，多為事后補(bǔ)救措施，也是我們*不提倡的。
（5）可根據(jù)實(shí)際電路需要，結(jié)合以上幾層來綜合設(shè)計。
2、保證電磁兼容的方法

主要根據(jù)構(gòu)成干擾的三要素從下幾方面來保證電磁兼容。
2.1在不同等級上保證電磁兼容
1）從元器件級上來說，當(dāng)是無源元件時，考慮
（1）工作頻帶以外的元件參數(shù)與工作頻帶上的有很大的區(qū)別；
（2）插件元件的末端引線有電感存在，當(dāng)高頻時這個電感易發(fā)生電磁兼容問題；
（3）元件有寄生電容，寄生電感，在電路上表現(xiàn)為分布參數(shù)，在分析電路時也要考慮由它帶來的等效電路。當(dāng)是有源元件時，工作中產(chǎn)生的電磁輻射也會以傳導(dǎo)電流的方式成為干擾源，當(dāng)是非線性元件時還可能發(fā)生頻譜成分的變化，這種變化也會引起干擾。
2）從設(shè)備級上來說，主要是保證減少對敏感設(shè)備的耦合，可考慮
（1）增加脈沖前沿時間以減少干擾的頻寬；
（2）消除電路中震蕩器產(chǎn)生的諧波及信號的諧波；
（3）限制干擾輻射或消除干擾的傳播途徑。
3）從系統(tǒng)級上來說，主要是靠組織或系統(tǒng)工程的方法來保證，因?yàn)橛锌赡茉趩蝹€設(shè)備上的電磁兼容得到了改善，但同時卻影響了其它設(shè)備的工作條件，使得其它設(shè)備的性能指標(biāo)變壞，此時需要從系統(tǒng)上折中考慮，另外，重要的一點(diǎn)是電磁兼容設(shè)計必須得到系統(tǒng)總體設(shè)計的高度重視。
2.2減小導(dǎo)線之間的耦合
主要是從增大導(dǎo)線之間的距離，使用屏蔽，使用雙絞線或使用屏蔽加雙絞這幾個方面來考慮。
2.3接地
主要應(yīng)考慮
（1）接地導(dǎo)線及公共線的阻抗應(yīng)*小，*好小于產(chǎn)品*高工作頻率的λ/20以內(nèi)；
（2）接地導(dǎo)線應(yīng)采用橫截面為管形的接地線；
（3）可靠接地，并防止連接點(diǎn)形成氧化層；
（4）使用一點(diǎn)并聯(lián)接地（低頻用）或者多點(diǎn)接地（高頻用）。
2.4屏蔽
當(dāng)是低頻磁場時，主要考慮磁屏蔽，當(dāng)屏蔽層越厚，材料導(dǎo)電率越高，屏蔽效能越好；當(dāng)是高頻磁場、電場或電磁場時，主要考慮用薄金屬屏蔽并良好接地。另一個值得注意的是在線纜制作時，要求電纜屏蔽層和連接器插頭的金屬外殼要有?360度的完整搭接，不能出現(xiàn)“豬尾巴”現(xiàn)象，否則效果大大打折扣。
2.5濾波
主要考慮
（1）抑制工作頻帶以外的干擾；
（2）在信號電路中用吸收濾波器消除無用的頻譜成分；
（3）在電源電路（尤其是開關(guān)電源中），操縱電路，控制電路，以及轉(zhuǎn)換電路中消除產(chǎn)生的干擾。在工程實(shí)際中，一個*值得注意的地方是電源濾波器的安裝，常見的濾波器的錯誤安裝如圖2所示。
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2.6電子設(shè)備的空間位置

由于各種電子設(shè)備的接收特性以及干擾源設(shè)備的輻射特性都具有一定的方向性和一定的作用距離，可以利用這些特性適當(dāng)安排電子設(shè)備在設(shè)備空間中的位置以避免干擾和**擾，即注意確定電子設(shè)備之間的空間距離和位置的格局。