電磁干擾（EMI）抑制技術(shù)

1 電磁干擾基本概念

在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，任何電子及電氣產(chǎn)品除了本身能夠承受一定的外來(lái)電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)而保持正常工作外，還不會(huì)對(duì)其他電子及電氣設(shè)備產(chǎn)生不可承受的電磁干擾，該產(chǎn)品即具有電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)[1]。

21世紀(jì)將是信息爆炸的時(shí)代，信息的產(chǎn)生、傳遞、接收、處理和儲(chǔ)存等都需要依賴電磁波作為載體。廣義地說(shuō)，聲波、無(wú)線電波、光波均可作為信息載體，因此，廣義的電磁兼容性概念也應(yīng)拓展到聲、光、電的廣闊領(lǐng)域。

電子及電氣產(chǎn)品的電磁干擾發(fā)射或受到電磁干擾的侵害都是通過(guò)產(chǎn)品的外殼、交/直流電源端口、信號(hào)線、控制線及地線而形成的。按照EMI的傳播方式，可將其分為電磁輻射干擾和電磁傳導(dǎo)干擾兩大類。通常，輻射干擾出現(xiàn)在產(chǎn)品周圍的媒體中，傳導(dǎo)干擾則出現(xiàn)在各種導(dǎo)體中。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)外殼發(fā)射的電磁干擾，或通過(guò)外殼侵入的干擾都是輻射干擾，而通過(guò)其它導(dǎo)體發(fā)射和入侵的干擾屬于傳導(dǎo)干擾。

2 人類必須關(guān)注電磁兼容問(wèn)題

2.1 電磁環(huán)境不斷惡化

20世紀(jì)中葉以來(lái)，電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使人類社會(huì)的進(jìn)步和文明上了一個(gè)新的臺(tái)階，但是也給人們帶來(lái)了一系列社會(huì)問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題。家用電器、通信、計(jì)算機(jī)及信息設(shè)備、電動(dòng)工具、航空、航天等工業(yè)、科技、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的自動(dòng)控制、測(cè)量?jī)x器以及電力電子系統(tǒng)等的廣泛普及、應(yīng)用，深入千家萬(wàn)戶之中，使得電磁污染問(wèn)題日益突出，而電子設(shè)備的高頻化、數(shù)字化，干擾信號(hào)的能量密度增大，使有限空間內(nèi)的電磁環(huán)境更為惡化。

1996年3月，日本SAPIO雜志公布了日本家用電器電磁輻射的檢測(cè)結(jié)果(表1)。瑞典等北歐三國(guó)于1993年所作的聯(lián)合調(diào)查指出：人類長(zhǎng)期受到2mG(毫高斯)以上的電磁輻射影響，患白血病的機(jī)會(huì)是正常人的2.1倍，患腦腫瘤的機(jī)會(huì)是正常人的1.5倍，其他疾病的發(fā)病概率也明顯增加。

表1 家用電器電磁輻射檢測(cè)結(jié)果(單位：mG)[2]

2.2 電磁污染危害不淺

電磁干擾和污染看不見(jiàn)、摸不著、聽(tīng)不到，因其無(wú)色、無(wú)味也無(wú)形，但它確實(shí)無(wú)處不在、危害不淺，威脅人體健康。德國(guó)專家指出，電磁污染能影響對(duì)人體生物鐘起作用的激素和傳達(dá)神經(jīng)信息的激素，還能破壞細(xì)胞膜;美國(guó)科學(xué)家的研究表明，電磁污染可直接殺傷人體細(xì)胞DNA，促使基因突變而致癌;英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的研究表明，女性每天操作電腦6小時(shí)，其內(nèi)分泌會(huì)發(fā)生紊亂，連續(xù)操作電腦4小時(shí)，會(huì)使視力下降、近視;加拿大渥太華總醫(yī)院8名從事電視屏終端操作的婦女竟有7人次懷上畸形胎兒。前蘇聯(lián)國(guó)際象棋特級(jí)大師尼古拉與一臺(tái)超級(jí)電腦下棋時(shí)，連勝三局后突然死亡，其殺手就是電腦發(fā)射的電磁波。1989年，日本一家工廠發(fā)生了機(jī)器人將一名維修工強(qiáng)行塞入機(jī)器中絞死的事故，調(diào)查證實(shí)是電磁干擾信號(hào)更改了機(jī)器人的程序所致。今年我國(guó)山西一名旅客在飛機(jī)即將在北京機(jī)場(chǎng)降落時(shí)使用“大哥大”，導(dǎo)致飛機(jī)偏航而被判刑并處罰款，可見(jiàn)電磁污染就在你我身邊。

2.3 EMC問(wèn)題正在規(guī)范化

EMC問(wèn)題，實(shí)際上是電子、電氣設(shè)備和系統(tǒng)的干擾和抗干擾問(wèn)題。一方面，電子設(shè)備和系統(tǒng)本身抗EMI能力要達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，另一方面，它對(duì)周邊的EMI必須限制在一定程度。早在50年代，美國(guó)軍方首先研究、制定了一些EMC標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)

過(guò)二十多年的大量研究，到80年代已形成軍用MIL-F-15773無(wú)線電干擾總規(guī)范和民用FCC標(biāo)準(zhǔn)兩大系列;德國(guó)制定了VDE標(biāo)準(zhǔn)，并被作為歐洲共同體EMC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，1993年已開(kāi)始強(qiáng)制執(zhí)行;日本和前蘇聯(lián)也相繼制訂了各自的EMC標(biāo)準(zhǔn);韓國(guó)從1993年開(kāi)始執(zhí)行EMC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)于1998年起推行EMC標(biāo)準(zhǔn)(已發(fā)布47個(gè))，并從2000年1月1日起強(qiáng)制執(zhí)行。屆時(shí)達(dá)不到EMC標(biāo)準(zhǔn)的電子產(chǎn)品包括家用電器將不準(zhǔn)生產(chǎn)和銷售，當(dāng)然更無(wú)法進(jìn)入歐美等國(guó)際市場(chǎng)。

2.4 信息安全不可忽視

信息電子戰(zhàn)將成為21世紀(jì)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的主要內(nèi)容之一。一方面，軍事電子裝備和作戰(zhàn)武器平臺(tái)必須具有強(qiáng)有力的抗干擾性能和隱身性能;另一方面，自身的信號(hào)輻射、泄漏應(yīng)盡可能降低，以保證軍事信息的安全性。

此外，隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的加速，大至一個(gè)國(guó)家，小至一個(gè)企業(yè)，經(jīng)濟(jì)信息的安全性也已經(jīng)提高到十分重要的地位。尤其是財(cái)政、金融、計(jì)劃等要害部門更是如此。

為了改善人類的生活環(huán)境、提高人們的生存質(zhì)量、發(fā)展經(jīng)濟(jì)、擴(kuò)大出口、增強(qiáng)綜合國(guó)力、實(shí)現(xiàn)科技強(qiáng)軍，我們都應(yīng)當(dāng)十分關(guān)注EMC問(wèn)題。

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3 EMI抑制技術(shù)的主要內(nèi)容[3]

3.1 抗EMI系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

抗EMI系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)是提高電子整機(jī)EMC性能的關(guān)鍵所在。因此該技術(shù)又稱為EMC設(shè)計(jì)技術(shù)。

EMC設(shè)計(jì)的目的是使電子、電氣產(chǎn)品在一定的電磁環(huán)境中能正常工作，既滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗干擾極限值要求，在受到一定的電磁干擾時(shí)，無(wú)性能降級(jí)或故障;又滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁輻射極限值要求，對(duì)電磁環(huán)境不構(gòu)成污染源。因此，EMC是產(chǎn)品的重要性能之一，也是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品效能的重要保證。

EMC設(shè)計(jì)要從分析產(chǎn)品預(yù)期的電磁環(huán)境、干擾源、耦合途徑和敏感部件入手，采用相應(yīng)的技術(shù)措施，抑制干擾源、切斷或削弱耦合途徑，增強(qiáng)敏感部件的抗干擾能力等。并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真和測(cè)試驗(yàn)證。

EMC設(shè)計(jì)技術(shù)包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和元器件的選取以及抗EMI元器件的使用等。其中有源器件的選用十分關(guān)鍵。

EMC設(shè)計(jì)技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初級(jí)階段就應(yīng)十分重視，盡可能把80%～90%以上的問(wèn)題解決在初級(jí)階段。一旦產(chǎn)品批量生產(chǎn)了，發(fā)現(xiàn)EMC問(wèn)題再去解決，就會(huì)事倍功半。

3.2 EMI抑制材料技術(shù)

3.2.1 屏蔽材料

屏蔽就是利用材料的反射和/或吸收作用，以減少EMI輻射。屏蔽材料的有效填置可減少或清除不必要的縫隙，抑制電磁耦合輻射，降低電磁泄漏和干擾。具有較高導(dǎo)電、導(dǎo)磁性能的材料可作為電磁屏蔽材料，一般要求屏蔽性能達(dá)40～60dB。目前常用的屏蔽材料有金屬材料和高分子材料兩大類。

金屬材料按用途又可分為襯墊屏蔽材料和透氣性屏蔽材料兩種。任何實(shí)用的機(jī)箱都會(huì)有縫隙，由于縫隙的導(dǎo)電不連續(xù)性，在該處即產(chǎn)生電磁泄漏。解決的辦法是在非永久性搭接處加電磁密封襯墊。如金屬絲網(wǎng)襯墊、導(dǎo)電橡膠襯墊、鈹銅指形簧片、螺旋管襯墊及橡膠芯襯墊+金屬絲網(wǎng)等。任何機(jī)箱為了散熱透氣往往開(kāi)有小孔，因此引發(fā)電磁泄漏，用金屬絲網(wǎng)難以達(dá)到完全屏蔽效果，需采用波導(dǎo)窗、多層截止波導(dǎo)通風(fēng)板和泡沫金屬等以改善屏蔽效果。由銅或鎳及連通的空洞組成、空心金屬骨架互連的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)金屬泡沫作屏蔽材料，在10～100MHz范圍內(nèi)，屏蔽性能達(dá)90dB，且重量輕、體積小，是很有前途的屏蔽材料。

高分子材料主要包括導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電涂料和表面導(dǎo)電材料，此外還有導(dǎo)電玻璃和導(dǎo)電膜片;與金屬材料相比，它們具有重量輕、易成型、電阻率可調(diào)等特點(diǎn)。導(dǎo)電塑料是將導(dǎo)電物質(zhì)如碳黑、金屬粉或金屬纖維摻雜于樹(shù)脂中制成，屏蔽性能可達(dá)30～80dB;導(dǎo)電涂料通常由Ag、Ni、Cu或C導(dǎo)電物質(zhì)作填料，與合成樹(shù)脂、溶劑和添加劑一起，涂覆于塑料表面形成固化膜，產(chǎn)生導(dǎo)電屏蔽效果，性能為20～60dB不等;表面導(dǎo)電屏蔽材料一般采用金屬熔射、塑料電鍍、真空蒸發(fā)、貼金屬箔等手段，使絕緣材料表面形成導(dǎo)電層，鍍層最薄為2～5μm，屏蔽性能可達(dá)45～120dB，甚至更高。

3.2.2 吸波材料

吸波材料的主要功能是將干擾源所產(chǎn)生的電磁輻射能量轉(zhuǎn)化為其它能量(主要是熱能)而耗散掉。根據(jù)損耗機(jī)理不同，可分為電阻型、電介質(zhì)型和磁介質(zhì)型三大類[4]。

電阻型吸波材料主要有碳精粉、石墨和SiC等，吸波能力主要取決于材料電阻率，由于這種材料吸收層厚度t與電磁波長(zhǎng)λ成正比，通常t=0.6λ，故適合于高頻段，若在100MHz時(shí)應(yīng)用，材料厚度需達(dá)1.8m。

電介質(zhì)型吸波材料有BaTiO2、鐵電陶瓷等高介電材料，能量衰減主要來(lái)自介電損耗，而介電損耗與頻率依賴關(guān)系較強(qiáng)，故吸收頻帶窄，且成本高，應(yīng)用受到一定限制。

磁介質(zhì)型吸波材料主要為鐵氧體，利用鐵氧體獨(dú)特的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率產(chǎn)生的磁損耗機(jī)理，吸收電磁波，成本低廉，所以目前應(yīng)用最為廣泛。其中MnZn鐵氧體EMI抑制材料主要用于低頻，NiZn鐵氧體EMI抑制材料主要用于高頻，而羰基鐵、鐵基、鎳基磁介質(zhì)則可在大電流情況下應(yīng)用，以解決鐵氧體磁芯的磁飽和問(wèn)題。

3.3 EMI抑制元器件技術(shù)

3.3.1 有源器件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

開(kāi)發(fā)和應(yīng)用有源器件，要重點(diǎn)關(guān)注其電磁干擾發(fā)射和電磁敏感度這兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。有源模擬器件的敏感度取決于靈敏度和帶寬，而靈敏度以器件的固有噪聲為基礎(chǔ);邏輯器件的靈敏度取決于直流噪聲容限和噪聲抗擾度。有源器件有兩種電磁發(fā)射源：傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾通過(guò)電源線、接地線和互連線進(jìn)行傳輸，并隨頻率增高而增大;輻射干擾通過(guò)器件本身或連線向外發(fā)射，并隨頻率的平方而增大。瞬態(tài)地電流是上述兩種干擾的初始源，良好接地和各種去耦方式是減小地電流的主要手段。

邏輯器件的翻轉(zhuǎn)速度快，所占頻譜越寬，因此，在保證功能的前提下，不可過(guò)分追求響應(yīng)速度。數(shù)字電路的干擾頻譜很寬，是電子和電氣設(shè)備中的重要干擾源，其電磁輻射可分為共模和差模兩種形式。工作頻率越高，輻射能量就越大;信號(hào)電平越高，輻射干擾就越強(qiáng)。為了控制差模輻射，必須將印制電路板上信號(hào)線、電源線和它們的回線緊靠在一起，以減少回路面積;為了控制共模輻射，可使用柵網(wǎng)地線或平面接地等良好接地方式，也可采用共模扼流圈。

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3.3.2 抗EMI器件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

具有良好屏蔽和接地措施的電子、電氣產(chǎn)品，也仍然會(huì)有電磁干擾，此時(shí)應(yīng)當(dāng)合理選用抗EMI元器件?？笶MI器件的種類很多，濾波是壓縮干擾頻譜的基本手段，抗EMI濾波器是EMC技術(shù)的基礎(chǔ)元器件之一，功能獨(dú)特、門類繁多，在此僅舉幾例。

(1) 信號(hào)線濾波器

這是一類用于信號(hào)線的低通濾波器，用來(lái)濾除高頻干擾成分。主要有線路板濾波器、屏蔽殼體饋通濾波器和連接器濾波器、濾波器陣列板等，通常由EMI磁芯和電容器組成π型或L型濾波網(wǎng)絡(luò)。

(2) EMI抑制器

抗EMI鐵氧體的重要參數(shù)為磁導(dǎo)率μ和飽和磁通密度Bs。μ可表示為復(fù)數(shù)，實(shí)數(shù)部分表征電感，虛數(shù)部分構(gòu)成磁損耗。其等效電路由電感L和電阻R組成，L、R均為頻率的函數(shù)。低頻時(shí)R很小，L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制;高頻時(shí)R增大，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能。這類EMI抑制器實(shí)際上也是一種低通濾波器，目前已被廣泛用于印制板、電源線和信號(hào)線上，不但抑制高頻干擾和尖峰干擾，也具有吸收靜電放電脈沖的能力。

(3) 電源線濾波器

電源線是電磁干擾出入電子、電氣設(shè)備的主要通道，電源線濾波器只允許電源頻率通過(guò)，高于電源頻率的干擾信號(hào)將受到衰減和抑制。由于火線、零線回路中的干擾為差模干擾，而火線、零線與地線回路中的干擾為共模干擾，電源線濾波器對(duì)這兩種干擾信號(hào)的濾波器效果是不同的，所以往往需要區(qū)別對(duì)待。

3.4 EMI測(cè)試技術(shù)

嚴(yán)格按照國(guó)際、國(guó)內(nèi)相關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)系統(tǒng)整機(jī)、部件、元器件和材料進(jìn)行EMI測(cè)試、驗(yàn)證是EMC技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵。前不久，上海建成了華東地區(qū)第一個(gè)按90年代新工藝、新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的EMC實(shí)驗(yàn)室，采用高性能鐵氧體吸波材料組裝成微波暗室及一系列屏蔽實(shí)驗(yàn)室，可對(duì)電子產(chǎn)品的靜電、群脈沖、浪涌、磁場(chǎng)、諧波、傳導(dǎo)發(fā)射等EMC技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量、評(píng)估[5]。只有解決了EMC測(cè)試問(wèn)題，才能更好地開(kāi)展電子、電氣產(chǎn)品的科研、生產(chǎn)、銷售、應(yīng)用、服務(wù)，同時(shí)可對(duì)IT產(chǎn)品的進(jìn)出口業(yè)務(wù)實(shí)施有效監(jiān)督。

4 強(qiáng)化管理，大力推廣EMI抑制技術(shù)

4.1 必要性

EMI抑制技術(shù)是軍民兼用的高新技術(shù)，又與人類的健康和生活質(zhì)量密切相關(guān)，國(guó)外經(jīng)過(guò)三四十年的發(fā)展，已形成了EMC產(chǎn)業(yè)。美、日等國(guó)僅EMI/RFI鐵氧體抑制元器件專業(yè)生產(chǎn)廠商就有20家以上，TDK公司現(xiàn)有抗EMI鐵氧體元、器件23個(gè)系列，71種產(chǎn)品;美國(guó)Filter Concepts有19個(gè)系列90個(gè)品種，并進(jìn)一步向微型化、片式化發(fā)展，其中EMI電源濾波器和EMI電磁濾波器工作頻帶極寬(30kHz～10GHz)，阻帶抑制達(dá)100dB以上。

隨著技術(shù)上的不斷突破，國(guó)內(nèi)EMC產(chǎn)業(yè)正在形成中。此外，港臺(tái)廠商積極進(jìn)軍大陸市場(chǎng)，也推動(dòng)了國(guó)內(nèi)EMI抑制技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了符合EMC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的電子產(chǎn)品的出口。因此，強(qiáng)化管理，大力發(fā)展我國(guó)EMI抑制技術(shù)，并使之產(chǎn)業(yè)化，實(shí)屬大勢(shì)所趨，勢(shì)在必行。

4.2 建立科學(xué)的管理體系

4.2.1 政府宏觀管理

EMI抑制技術(shù)的不斷創(chuàng)新是發(fā)展我國(guó)EMC高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心。政府一方面要加快EMC國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(包括強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn))和法規(guī)的制訂、貫徹，盡快與國(guó)際接軌;另一方面要加強(qiáng)宏觀指導(dǎo)，積極扶持EMC產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，引導(dǎo)更多的企事業(yè)單位從事EMI抑制技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，制訂相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，重點(diǎn)建設(shè)若干個(gè)EMC產(chǎn)業(yè)示范基地，對(duì)共性技術(shù)給予足夠的重視和關(guān)注，并建立必要的技術(shù)創(chuàng)新激勵(lì)機(jī)制。

4.2.2 行業(yè)協(xié)調(diào)管理

積極利用中國(guó)電子學(xué)會(huì)EMC分會(huì)和中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)等社團(tuán)組織，發(fā)揮行業(yè)協(xié)調(diào)管理作用，是推廣EMI抑制技術(shù)的重要渠道。各級(jí)各類行業(yè)協(xié)會(huì)可以在EMI技術(shù)與市場(chǎng)信息、國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)分析、標(biāo)準(zhǔn)的制訂與實(shí)施、各種人才的培訓(xùn)、招商引資和學(xué)術(shù)與技術(shù)交流等方面開(kāi)展豐富多彩的活動(dòng)，以便推動(dòng)EMI抑制技術(shù)的推廣與應(yīng)用。

參考資料

[1] 中國(guó)電子報(bào)，1999-09-09(8).

[2] 科技日?qǐng)?bào),1999-09-10(5).

[3] 何水校.99綿陽(yáng)市IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會(huì)論文,1999.

[4] 陽(yáng)開(kāi)新.磁性材料及器件,1996,27(3):19.

[5] 中國(guó)電子報(bào)，1999-10-21(1).